美国利用两项研究策略 研发锂铁氧化物充电电池

据外媒报道，阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的研究人员与美国西北大学的沃尔弗顿（Wolverton）小组开展合作，共同研发了锂铁氧化物充电电池（锂离子铁氧化物电池，rechargeable lithium-iron-oxide battery）。相较于常见的钴酸锂电池（锂钴氧化物充电电池，lithium-cobalt-oxide counterpart），其锂离子的移动量更大，这是由于其电容量较大，从而延长电动车的续航时间。

该研究获得了美国能源部旗下的能源前沿研究中心（Energy Frontier Research Center）项目的支持，并将其研究结果发布到《自然能源（Nature Energy）》中，沃尔弗顿实验室博士生Zhenpeng Yao及阿贡实验室博士后研究员Chun Zhan为该研究论文的第一作者（first authors）。沃尔弗顿与Yao负责计算研发，而阿贡实验室则负责该研究的实验环节。

在电池的充放电过程中，锂离子会在阳极与阴极间的往复移动。当电池充电时，锂离子回到阳极并存储在该处。该电池的阴极则由复合物制成，其包含了锂离子、过渡金属（transition metal）及氧元素。

通常，过渡金属则选用钴，当锂离子从阳极与阴极往复移动时，可高效存储并释放电能。阴极的电容量受限于过渡金属的电子数量，前者将参与电池内的化学反应。钴酸锂电池已在市场上出售了20年，然而，经常长期研究后，研究人员发现另一款价格相对便宜、电量更高的充电电池。沃尔弗顿实验室的研究团队在普通钴酸锂电池的基础上提升其性能，主要运用了以下两种新策略：用铁元素替代钴元素、迫使氧元素参与化学反应。若能存储氧元素并释放电能，电池电量自然就会提升，可存储、利用更多的锂离子。尽管其他研究团队也曾做过同类研究，但鲜有成功者。

通过数值计算，沃尔弗顿与Yao发现了新配方，且该配方的化学反应是可逆的。首先，研究团队用铁元素替代钴元素，因为铁元素是化学周期表中价格最便宜的一款金属元素。随后，通过运算，他们发现了锂、铁及氧离子的正确平衡配比，使氧离子与铁离子能同时推动可逆反应，不会引起氧气脱出。更重要的是，该款电池一开始就有4个锂离子，而非1个，将提升电池的容量。而铁与氧将驱动电池发生反应，实现四个锂离子在电池阳极与阴极间的往复移动。沃尔弗顿为此申请了一项专利。该团队接下来将采用其他复合物，尝试该策略是否依然能奏效。