西北大學(xué)的一個研究小組已經(jīng)找到了穩(wěn)定新電池的方法，這種電池的記錄容量很高。基于鋰錳氧化物陰極，這一突破可使智能手機(jī)和電池動力汽車的續(xù)航時間延長兩倍以上。

“這種電池電極已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了所有過渡金屬氧化物基電極有史以來報道的最高容量之一，它是目前手機(jī)或筆記本電腦中材料容量的兩倍多，”杰羅姆B.克里斯托弗沃爾弗頓說。負(fù)責(zé)該研究的西北McCormick工程學(xué)院材料科學(xué)與工程系Cohen教授。“這種高容量將代表電動汽車用鋰離子電池的巨大進(jìn)步。”

該研究于5月14日在線發(fā)表在ScienceAdvances上。

鋰離子電池通過在陽極和陰極之間來回穿梭鋰離子來工作。陰極由包含鋰離子，過渡金屬和氧的化合物制成。當(dāng)鋰離子從陽極移動到陰極并返回時，過渡金屬（通常為鈷）有效地存儲和釋放電能。然后，陰極的容量受到參與反應(yīng)的過渡金屬中的電子數(shù)量的限制。

法國的一個研究小組在2016年首次報道了大容量鋰錳氧化物化合物。通過用較便宜的錳取代傳統(tǒng)的鈷，該團(tuán)隊開發(fā)出了價格更便宜的電極，其容量翻了一番多。但這并非沒有挑戰(zhàn)。在前兩個周期內(nèi)，電池的性能下降非常顯著，研究人員不認(rèn)為它在商業(yè)上可行。他們也沒有完全理解大容量或退化的化學(xué)來源。

Wolverton的團(tuán)隊在詳細(xì)描述了陰極原子的原子圖后，發(fā)現(xiàn)了該材料高容量背后的原因：它強(qiáng)制氧氣參與反應(yīng)過程。除了過渡金屬之外，通過使用氧氣來儲存和釋放電能，電池具有更高的儲存和使用鋰的能力。

接下來，西北團(tuán)隊將注意力轉(zhuǎn)向穩(wěn)定電池，以防止其迅速退化。

“憑借充電過程的知識，我們使用高通量計算來掃描元素周期表，找到新的方法將這種化合物與能夠提高電池性能的其他元素合成，”ZhenpengYao說，他是第一作者，該論文和前博士。沃爾弗頓實(shí)驗室的學(xué)生。

計算確定了兩個元素：鉻和釩。該團(tuán)隊預(yù)測，將元素與鋰錳氧化物混合將產(chǎn)生穩(wěn)定的化合物，從而保持陰極前所未有的高容量。接下來，Wolverton和他的合作者將在實(shí)驗室中通過實(shí)驗測試這些理論化合物。

這項研究得到了電子化學(xué)能源科學(xué)中心的支持，該中心是由美國能源部科學(xué)辦公室基礎(chǔ)能源科學(xué)部資助的DE-AC02-06CH11357能源前沿研究中心。目前是哈佛大學(xué)博士后研究員的Yao和麻省理工學(xué)院博士后研究員SooKim都是Wolverton實(shí)驗室的前任成員，并擔(dān)任該論文的第一作者。