新型锂电池超长续航——铁氧驱动更多锂离子

    【概要】通过使用铁和氧同时驱动电化学反应，新型电池成本更低容量更高。

    Christopher Wolverton的超级锂电池理论上可以正常工作。在一项艰巨的任务中，电池利用氧气驱动化学反应，研究人员以前认为这将导致电池变得不稳定，但实验发现不仅电池能正常工作，并且它性能极高。

    Northwestern大学Wolverton研究小组与Argonne国家实验室的研究人员合作，开发了一种可再充电的锂－铁－氧化物电池，其锂离子循环比普通锂－钴－氧化物电池多。可制成更高容量的电池并能够使智能电话和电动汽车持续续航。

    “我们对这种电池反应的预测计算是极具前景的，但若无实验过程进行证实，会出现很多怀疑论者，”Northwestern 大学 McCormick工程学院材料科学与工程教授Wolverton说，“它实际上起到的作用是极其显著的”。

    锂离子电池通过在阳极和阴极之间来回穿梭锂离子进行工作。当电池充电时，离子移回阳极，储存在那里。阴极由锂离子，过渡金属和氧的化合物制成。当锂离子从阳极移动到阴极并返回时，钴能有效地储存和释放电能，阴极容量随之受到参与反应的过渡金属中电子数量的限制。

    “在传统情况下，过渡金属可进行反应，”Wolverton说，“因为每个钴只代表一个锂离子，所以具有存储电量的限制，更糟糕的是，目前手机或笔记本电脑中的电池通常只使用阴极的一半锂。”

    锂－钴－氧化物电池已经上市了20年，但研究人员欲寻求更便宜，更高容量的替代品。Wolverton的团队利用两种策略改进了普通锂－钴－氧化物电池：用铁代替钴，并迫使氧气参与反应过程。

    如果氧气还可以储存和释放电能，电池将具有更高效储存和使用锂的能力。虽然其他研究小组过去曾经试过这个策略，但是很少有人实现这一点。“之前的问题往往在于，如果你试图让氧气参与反应，化合物就会变得不稳定，”Yao说，“氧气将从电池释放出来，使反应不可逆转。”

    通过计算，Wolverton和Yao发现了一个可逆转的公式。首先，他们用铁代替钴，这是极具优势的，因为它是元素周期表中最便宜的元素之一。其次，通过计算，他们发现了锂离子，铁离子和氧离子的正确平衡，以使氧气和铁离子同时驱动可逆反应，而不会让氧气逸出。

    Wolverton说：“不仅电池会发生一个有趣的化学反应，因为我们从金属和氧气，而不是铁来获得电子。这有可能使更好的电池也将更便宜。”更为重要的是，完全可充电电池由四个锂离子驱动，目前的反应可以可逆地利用这些锂离子中的一种，显著超过当今电池的容量。但是，用铁和氧来驱动反应，会使所有四个循环极具前景。

    Wolverton说：“每种金属都含有四个锂离子－这将改变一切锂电池。”这意味着你的手机可以持续八倍的寿命，或者你的汽车可以继续驾驶八次，如果电动汽车在范围和成本方面可以与汽油动力汽车竞争甚至超过它，这将改变世界能源市场。