鋰電池電池使用氧氣和鐵來儲存和釋放電能。

ChristopherWolverton的超級鋰電池理論上可以正常工作。在一項(xiàng)艱巨的任務(wù)中，電池利用氧氣驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)，研究人員以前認(rèn)為這將導(dǎo)致電池變得不穩(wěn)定，但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不僅電池能正常工作，并且它性能極高。

Northwestern大學(xué)Wolverton研究小組與Argonne國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員合作，開發(fā)了一種可再充電的鋰-鐵-氧化物電池，其鋰離子循環(huán)比普通鋰-鈷-氧化物電池多。可制成更高容量的電池并能夠使智能電話和電動(dòng)汽車持續(xù)續(xù)航。

“我們對這種電池反應(yīng)的預(yù)測計(jì)算是極具前景的，但若無實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行證實(shí)，會出現(xiàn)很多懷疑論者，”Northwestern大學(xué)McCormick工程學(xué)院材料科學(xué)與工程教授Wolverton說，“它實(shí)際上起到的作用是極其顯著的”。

鋰離子電池通過在陽極和陰極之間來回穿梭鋰離子進(jìn)行工作。當(dāng)電池充電時(shí)，離子移回陽極，儲存在那里。陰極由鋰離子，過渡金屬和氧的化合物制成。當(dāng)鋰離子從陽極移動(dòng)到陰極并返回時(shí)，鈷能有效地儲存和釋放電能，陰極容量隨之受到參與反應(yīng)的過渡金屬中電子數(shù)量的限制。

“在傳統(tǒng)情況下，過渡金屬可進(jìn)行反應(yīng)，”Wolverton說，“因?yàn)槊總€(gè)鈷只代表一個(gè)鋰離子，所以具有存儲電量的限制，更糟糕的是，目前手機(jī)或筆記本電腦中的電池通常只使用陰極的一半鋰。”

鋰-鈷-氧化物電池已經(jīng)上市了20年，但研究人員欲尋求更便宜，更高容量的替代品。Wolverton的團(tuán)隊(duì)利用兩種策略改進(jìn)了普通鋰-鈷-氧化物電池：用鐵代替鈷，并迫使氧氣參與反應(yīng)過程。

如果氧氣還可以儲存和釋放電能，電池將具有更高效儲存和使用鋰的能力。雖然其他研究小組過去曾經(jīng)試過這個(gè)策略，但是很少有人實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。“之前的問題往往在于，如果你試圖讓氧氣參與反應(yīng)，化合物就會變得不穩(wěn)定，”Yao說，“氧氣將從電池釋放出來，使反應(yīng)不可逆轉(zhuǎn)。”

通過計(jì)算，Wolverton和Yao發(fā)現(xiàn)了一個(gè)可逆轉(zhuǎn)的公式。首先，他們用鐵代替鈷，這是極具優(yōu)勢的，因?yàn)樗窃刂芷诒碇凶畋阋说脑刂弧Ｆ浯危ㄟ^計(jì)算，他們發(fā)現(xiàn)了鋰離子，鐵離子和氧離子的正確平衡，以使氧氣和鐵離子同時(shí)驅(qū)動(dòng)可逆反應(yīng)，而不會讓氧氣逸出。

Wolverton說：“不僅電池會發(fā)生一個(gè)有趣的化學(xué)反應(yīng)，因?yàn)槲覀儚慕饘俸脱鯕猓皇氰F來獲得電子。這有可能使更好的電池也將更便宜。”更為重要的是，完全可充電電池由四個(gè)鋰離子驅(qū)動(dòng)，目前的反應(yīng)可以可逆地利用這些鋰離子中的一種，顯著超過當(dāng)今電池的容量。但是，用鐵和氧來驅(qū)動(dòng)反應(yīng)，會使所有四個(gè)循環(huán)極具前景。

Wolverton說：“每種金屬都含有四個(gè)鋰離子-這將改變一切鋰電池。”這意味著你的手機(jī)可以持續(xù)八倍的壽命，或者你的汽車可以繼續(xù)駕駛八次，如果電動(dòng)汽車在范圍和成本方面可以與汽油動(dòng)力汽車競爭甚至超過它，這將改變世界能源市場。