電池正極結(jié)構(gòu)示意圖，紅色為鋰，綠色為氧，紫色為錳，深藍(lán)色為鉻，淺藍(lán)色為釩。(來源：美國西北大學(xué))

美國西北大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了可穩(wěn)定創(chuàng)紀(jì)錄高儲(chǔ)電量電池性能的新方法。在鋰錳氧化物正極基礎(chǔ)之上，這一創(chuàng)新可以使智能手機(jī)和電動(dòng)汽車的電量新增至兩倍以上。

“這一電池電極已達(dá)到某一有記載最高的過渡金屬氧化物基電極的容量。它的容量已超過你現(xiàn)用手機(jī)或電腦的兩倍。”

美國西北大學(xué)McCormick工程學(xué)院，材料科學(xué)與工程專業(yè)JeromeB.Cohen教授ChristopherWolverton表示。

“這種電極的高容量表明其在用于電動(dòng)汽車輛鋰離子電池的目標(biāo)上有了巨大提升。”Christopher補(bǔ)充道。

這一研究已于五月十八日在科學(xué)發(fā)展雜志上在線報(bào)道。

鋰離子電池以在正負(fù)極間往復(fù)遷移鋰離子的方式而工作。正極使用含有鋰離子、過渡金屬和氧的化合物制取。過渡金屬，通常為鈷，當(dāng)鋰離子在正負(fù)極間來回遷移時(shí)有效地儲(chǔ)存和釋放電能。正極容量因而受到參與反應(yīng)的過渡金屬中的電子數(shù)量的限制。

一個(gè)法國研究團(tuán)隊(duì)于2016年首次鑒別出大容量鋰錳氧化物的性能。通過使用成本更低的錳替代傳統(tǒng)用的鈷，研究人員開發(fā)出一個(gè)成本更低廉且具有之前兩倍容量的電極。但它也并非完美無瑕。由于電池性能在頭兩個(gè)循環(huán)過程中會(huì)大大削減，科學(xué)家們認(rèn)為它無法應(yīng)用于市場。與此同時(shí)，他們并未完全理解電池性能衰退及其擁有大容量的化學(xué)根源。

在繪出一個(gè)綜合的，原子間相接的正極圖像之后，Wolverton的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了材料具備高性能背后的原因：它驅(qū)使氧參與到反應(yīng)過程中來。通過使用氧及過渡金屬來儲(chǔ)存與釋放電能，電池具有了更大的容量來儲(chǔ)存及利用更多的鋰。

隨后，西北大學(xué)的團(tuán)隊(duì)將他們的研發(fā)重點(diǎn)轉(zhuǎn)向如何穩(wěn)定電池性能并阻止它的迅速衰減。

“通過充電過程理論的輔助，我們運(yùn)用高速計(jì)算徹底檢索元素周期表，以尋找合金化該含有其它元素化合物的方法，從而去增強(qiáng)電池的性能。”

文章共同第一作者，Wolverton實(shí)驗(yàn)室的前博士生ZhenpengYao表示。

計(jì)算鑒別出兩種可能有效的元素：釩和鉻。研究團(tuán)隊(duì)預(yù)估將鋰錳氧化物與其中的一種混合將會(huì)出現(xiàn)可維持正極無與倫比高性能的穩(wěn)定化合物。隨后，Wolverton和他的搭檔將在研究室中對這些理論上的化合物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測。

該研究作為電化學(xué)能源科學(xué)中心，這一由美國能源部科學(xué)局資助的能源前沿研究中心的一部分，受到了其基礎(chǔ)能源科學(xué)項(xiàng)目(項(xiàng)目編碼：DE-AC02-06CH11357)的支持。哈佛大學(xué)的博士后研究人員Yao，與麻省理工學(xué)院的博士后研究人員SooKim，均為Wolverton實(shí)驗(yàn)室的前成員，并作為文章的共同第一作者。