鋰電池電池使用氧氣和鐵來(lái)儲(chǔ)存和釋放電能。

ChristopherWolverton的超級(jí)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員合作，開(kāi)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(chē)持續(xù)續(xù)航。

“我們對(duì)這種電池反應(yīng)的預(yù)測(cè)計(jì)算是極具前景的，但若無(wú)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行證實(shí)，會(huì)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(shuō)，“它實(shí)際上起到的作用是極其顯著的”。

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

“在傳統(tǒng)情況下，過(guò)渡金屬可進(jìn)行反應(yīng)，”Wolverton說(shuō)，“因?yàn)槊總€(gè)鈷只代表一個(gè)鋰離子，所以具有存儲(chǔ)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(guò)程。

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

通過(guò)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(shì)的，因?yàn)樗窃刂芷诒碇凶畋阋说脑刂弧Ｆ浯危ㄟ^(guò)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(huì)讓氧氣逸出。

Wolverton說(shuō)：“不僅電池會(huì)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(lái)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(guò)當(dāng)今電池的容量。但是，用鐵和氧來(lái)驅(qū)動(dòng)反應(yīng)，會(huì)使所有四個(gè)循環(huán)極具前景。

Wolverton說(shuō)：“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(chē)可以繼續(xù)駕駛八次，如果電動(dòng)汽車(chē)在范圍和成本方面可以與汽油動(dòng)力汽車(chē)競(jìng)爭(zhēng)甚至超過(guò)它，這將改變世界能源市場(chǎng)。