理論上來(lái)講，似乎ChristopherWolverton的超級(jí)富鋰電池應(yīng)該不能工作。首先，這種新奇的電池使用的是鐵，這種材料以經(jīng)常出現(xiàn)電池故障而臭名昭著。此外，研究人員也認(rèn)為利用氧氣來(lái)驅(qū)動(dòng)電化學(xué)反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電池更加不穩(wěn)定。然而，他確實(shí)在得到高容量電池方面表現(xiàn)的非常好。

Wolverton的團(tuán)隊(duì)與Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員合作成功研制出了一種可充電的鋰-氧化鐵電池，這種電池能夠比普通的鋰鈷氧化物電池循環(huán)使用更多的鋰離子。

結(jié)果是得到一個(gè)更大容量的電池，這將使得由電池供電的電動(dòng)汽車和智能手機(jī)持續(xù)工作更長(zhǎng)時(shí)間。

西北大學(xué)麥考密克工程學(xué)院材料科學(xué)與工程教授Wolverton說(shuō):我們對(duì)電池的計(jì)算結(jié)果是十分興奮的，但是如果沒有實(shí)驗(yàn)證實(shí)，就會(huì)有很多懷疑論者懷疑它的科學(xué)性。事實(shí)上他確實(shí)作用是很顯著的。

這項(xiàng)由美國(guó)能源部能源前沿研究中心(EnergyFrontierresearchCenterprogram)支持的研究最近在《自然能源》(NatureEnergy)雜志上發(fā)表。在Wolverton實(shí)驗(yàn)室的博士生ZhenpengYao和Argonne的博士后ChunZhan是該論文的第一批作者。阿貢領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究的實(shí)驗(yàn)部分，沃爾弗頓和姚明負(fù)責(zé)計(jì)算開發(fā)。

鋰離子電池的工作原理是在陽(yáng)極和陰極間來(lái)回穿梭鋰離子。當(dāng)電池充電時(shí)，離子會(huì)移動(dòng)到陽(yáng)極。陰極由一種由過渡金屬、鋰離子和氧組成的化合物生成。過渡金屬通常是鈷，當(dāng)鋰離子從陽(yáng)極傳遞到陰極然后再返回時(shí)，有效地儲(chǔ)存和釋放電能。然后陰極的容量被過渡金屬中的電子數(shù)量給限制了。

20年來(lái)，鋰鈷氧化物電池一直在商業(yè)上可用，但研究人員長(zhǎng)期以來(lái)一直在尋找更大容量、更便宜的替代品。Wolverton的團(tuán)隊(duì)利用兩種策略增強(qiáng)了普通的鋰鈷氧化物電池:用鐵代替鈷迫使氧氣參與反應(yīng)過程。

如果氧氣還能儲(chǔ)存和釋放電能，電池將有更大的容量?jī)?chǔ)存，然后使用越來(lái)越多的鋰。盡管其他研究團(tuán)隊(duì)過去也嘗試過這種方法，但只有少數(shù)人成功。

“以前的問題是，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)。“氧氣會(huì)從電池中釋放出來(lái)，使反應(yīng)不可逆。

Wolverton和Yao通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)了一種能夠使工作可逆的公式。他們首先用鐵代替鈷，這是有益的，因?yàn)樗侵芷诒砩献畋阋说脑刂?。通過計(jì)算，他們發(fā)現(xiàn)了鋰、鐵和氧離子的正確平衡方式，以便讓鐵和氧同時(shí)驅(qū)動(dòng)可逆反應(yīng)，防止氧氣的逸出。

Wolverton說(shuō)“由于我們從金屬和氧得到電子，而且我們使用的金屬是鐵，我們的電池不僅有很有趣的化學(xué)成分，而且有可能制造出更加便宜的電池”

另一個(gè)重要的方面是，完全充電電池不是一個(gè)鋰離子開始的而是由四個(gè)鋰離子開始的。目前的反應(yīng)是能夠可逆地利用其中一個(gè)鋰離子，主要是提高現(xiàn)有電池的容量。然而，通過使用氧氣和鐵來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)反應(yīng)的可能性確實(shí)是誘人的。

“每個(gè)金屬有四個(gè)鋰離子，這將改變一切，”Wolverton說(shuō)?！斑@意味著你的手機(jī)可以延長(zhǎng)8倍，或者你的車能開8倍的距離。如果電動(dòng)車能夠在行駛里程和成本方面與汽油動(dòng)力汽車競(jìng)爭(zhēng)，那么這將改變世界?！?/p>

Wolverton已經(jīng)向西北大學(xué)的創(chuàng)新和風(fēng)險(xiǎn)投資辦公室提出了電池的臨時(shí)專利。展望未來(lái)，沃爾弗頓和他的團(tuán)隊(duì)計(jì)劃發(fā)現(xiàn)其他的化合物來(lái)證明這一策略可以發(fā)揮作用。