電池利用鐵和氧來驅(qū)動更多的鋰離子

在紙面上，似乎Christopher Wolverton的超級富鋰電池不應(yīng)該起作用。首先，這種新型電池使用鐵，這是一種廉價的金屬，在電池方面出了名的失敗。在另一個困難的壯舉中，電池利用氧氣來幫助驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)，研究人員此前認(rèn)為這會導(dǎo)致電池變得不穩(wěn)定。

但是不僅電池工作，而且非常好。

西北大學(xué)沃爾弗頓研究小組與阿貢國家實驗室的研究人員合作開發(fā)出一種可充電鋰 -鐵氧化物電池，可以比普通的鋰 - 鈷 - 氧化物電池循環(huán)更多的鋰離子。

結(jié)果是更高容量的電池可以使智能手機和電池供電的汽車能夠持續(xù)更長時間。

“我們對這種電池反應(yīng)的計算預(yù)測非常令人興奮，但如果沒有實驗證實，就會有很多懷疑論者，”西北麥考密克工程學(xué)院材料科學(xué)與工程教授Wolverton說。“事實上它確實很有效。”

在美國能源部的能源前沿研究中心項目的支持下，該研究最近發(fā)表在Nature Energy上。Wolverton實驗室的博士生Zhenpeng Yao和Argonne的博士后研究員Chun Zhan擔(dān)任該論文的第一作者。Wolverton和Yao領(lǐng)導(dǎo)了計算開發(fā)，Argonne領(lǐng)導(dǎo)了該研究的實驗部分。

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。當(dāng)電池充電時，離子移回陽極，在那里存儲它們。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可參與反應(yīng)的過渡金屬中的電子數(shù)量的限制。

“在傳統(tǒng)的情況下，過渡金屬正在做出反應(yīng)，”Wolverton說。“因為每個鈷只有一個鋰離子，所以可以存儲多少電荷。更糟糕的是，手機或筆記本電腦中的現(xiàn)有電池通常只使用陰極中鋰的一半。”

鋰鈷氧化物電池已經(jīng)上市20年，但研究人員長期以來一直在尋找更便宜，更高容量的替代品。Wolverton的團隊通過利用兩種策略改進了常見的鋰 - 鈷 - 氧化物電池：用鐵代替鈷，并迫使氧氣參與反應(yīng)過程。

如果氧氣也可以儲存和釋放電能，那么電池將具有更高的儲存和使用更多鋰的能力。雖然其他研究小組過去曾試圖采用這種策略，但很少有人認(rèn)為這種方法有效。

“以前的問題是，如果你試圖讓氧氣參與反應(yīng)，那么化合物會變得不穩(wěn)定，”姚明說。“氧氣會從電池中釋放出來，使反應(yīng)不可逆轉(zhuǎn)。”

通過計算計算，Wolverton和Yao發(fā)現(xiàn)了一種可逆的工作方式。首先，他們用鐵代替鈷，這是有利的，因為它是元素周期表中最便宜的元素之一。其次，通過使用計算，他們發(fā)現(xiàn)鋰，鐵和氧離子的正確平衡，使氧氣和鐵同時驅(qū)動可逆反應(yīng)而不允許氧氣逸出。

“不僅電池具有有趣的化學(xué)成分，因為我們從金屬和氧氣中獲取電子，但我們正在使用鐵，”Wolverton說。“這有可能制造出更便宜的更好的電池。”

或許更重要的是，完全可充電的電池以四個鋰離子開始，而不是一個。目前的反應(yīng)可以可逆地利用這些鋰離子中的一種，顯著增加了超出當(dāng)今電池的容量。但是通過使用鐵和氧來驅(qū)動反應(yīng)來回循環(huán)所有四個循環(huán)的潛力是誘人的。

“每種金屬都有四種鋰離子 - 這將改變一切，”Wolverton說。“這意味著你的手機可以使用時間延長8倍，或者你的車可以再駕駛8倍。如果電池驅(qū)動的汽車在范圍和成本方面可以與汽油動力汽車競爭或超過汽油動力汽車，那將改變世界。”

Wolverton已向Northwestern的創(chuàng)新和新風(fēng)險辦公室提交了該電池的臨時專利。接下來，他和他的團隊計劃探索這種策略可行的其他化合物。