电池同时利用铁和氧来驱动更多的锂离子

从表面上看，克里斯托弗·沃尔弗顿的超级富锂电池似乎不起作用。一方面，新型电池使用铁，一种便宜的金属，众所周知，这种金属未能在电池中失效。另外一项艰巨的任务是，电池利用氧气帮助推动化学反应，研究人员此前认为这会导致电池变得不稳定。

但是，电池不仅可以正常工作，而且效果非常好。

西北大学的沃尔弗顿小组与阿贡国家实验室的研究人员合作，开发了一种可充电的锂铁氧化物电池，该电池可循环使用的锂离子比普通锂钴氧化物多。

结果是更高容量的电池可以使智能手机和电池驱动的汽车使用更长的时间。

西北部麦考密克工程学院材料科学与工程学教授沃尔夫顿说：“我们对这种电池反应的计算预测非常令人兴奋，但是如果没有实验证实，就会有很多怀疑论者。” “它实际上有效的事实是惊人的。”

在能源部能源前沿研究中心计划的支持下，这项研究最近在《自然能源》上发表。伍尔弗顿实验室的博士学位研究生姚振鹏和阿贡大学的博士后研究员Chun Zhan是该论文的第一作者。Wolverton和Yao领导了计算开发，而Argonne领导了研究的实验部分。

锂离子电池的工作原理是在阳极和阴极之间来回穿梭锂离子。电池充电后，离子会移动回阳极，并在那里存储。阴极由包含锂离子，过渡金属和氧的化合物制成。当锂离子从阳极移动到阴极然后返回时，通常为钴的过渡金属有效地存储和释放电能。然后，阴极的容量受到过渡金属中可参与反应的电子数量的限制。

沃尔弗顿说：“在常规情况下，过渡金属会发生反应。” “因为每一个钴只有一个锂离子，所以限制了可以存储多少电荷。更糟糕的是，手机或笔记本电脑中的当前电池通常只在阴极中使用一半的锂。”

锂钴氧化物电池已经投放市场20年了，但是研究人员长期以来一直在寻找更便宜，容量更大的替代品。Wolverton的团队通过利用以下两种策略对普通的锂钴氧化物电池进行了改进：采用铁替代钴，以及迫使氧气参与反应过程。

如果氧气还可以存储和释放电能，则电池将具有更高的存储和使用更多锂的容量。尽管其他研究小组过去也曾尝试过这种策略，但很少有人使它起作用。

姚明说：“以前的问题是，如果经常尝试让氧气参与反应，该化合物将变得不稳定。” “氧气将从电池中释放出来，使反应不可逆。”

通过计算，Wolverton和Yao发现了一种可逆地起作用的公式。首先，他们用铁代替了钴，这是有利的，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，铁和氧离子的正确平衡，从而使氧和铁能够同时驱动可逆反应，而不会逸出氧气。

沃尔弗顿说：“电池不仅具有令人感兴趣的化学性质，因为我们从金属和氧气中都获取了电子，而且还使用了铁。” “这有可能制造出更好的廉价电池。”

甚至更重要的是，完全可充电电池从四个锂离子而不是一个锂离子开始。当前的反应可以可逆地利用这些锂离子之一，从而大大增加了当今电池的容量。但是，通过同时使用铁和氧来驱动反应来循环这四个循环的潜力令人着迷。

沃尔弗顿说：“每种金属有四个锂离子，这将改变一切。” “这意味着您的手机使用寿命可能延长八倍，而汽车的行驶时间可能会延长八倍。如果电池驱动的汽车在续航里程和成本方面能够与汽油驱动的汽车竞争甚至超过汽油驱动的汽车，那么这将改变整个世界。”

Wolverton已向西北航空的创新和新创企业办公室申请了该电池的临时专利。接下来，他和他的团队计划探索其他可以使用该策略的化合物。