鋰鐵氧化物充電電池的技術(shù)研發(fā)

核心提示：據(jù)外媒報道，阿貢國家實驗室的研究人員與美國西北大學的沃爾弗頓小組開展合作，共同研發(fā)了鋰鐵氧化物充電電池。相較于常見的鈷酸鋰電池，其鋰離子的移動量更大，這是由于其電容量較大，從而延長電動車的續(xù)航時間。通過數(shù)值計算，沃爾弗頓與Yao發(fā)現(xiàn)了新配方，且該配方的化學反應(yīng)是可逆的。首先，研究團隊用鐵元素替代鈷元素，因為鐵元素是化學周期表中價格最便宜的一款金屬元素。隨后，通過運算，他們發(fā)現(xiàn)了鋰、鐵及氧離子的正確平衡配比，使氧離子與鐵離子能同時推動可逆反應(yīng)，不會引起氧氣脫出。

據(jù)外媒報道，阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）的研究人員與美國西北大學的沃爾弗頓（Wolverton）小組開展合作，共同研發(fā)了鋰鐵氧化物充電電池（鋰離子鐵氧化物電池，rechargeable lithium-iron-oxide battery）。相較于常見的鈷酸鋰電池（鋰鈷氧化物充電電池，lithium-cobalt-oxide counterpart），其鋰離子的移動量更大，這是由于其電容量較大，從而延長電動車的續(xù)航時間。

該研究獲得了美國能源部旗下的能源前沿研究中心（Energy Frontier Research Center）項目的支持，并將其研究結(jié)果發(fā)布到《自然能源（Nature Energy）》中，沃爾弗頓實驗室博士生Zhenpeng Yao及阿貢實驗室博士后研究員Chun Zhan為該研究論文的第一作者（first authors）。沃爾弗頓與Yao負責計算研發(fā)，而阿貢實驗室則負責該研究的實驗環(huán)節(jié)。

在電池的充放電過程中，鋰離子會在陽極與陰極間的往復(fù)移動。當電池充電時，鋰離子回到陽極并存儲在該處。該電池的陰極則由復(fù)合物制成，其包含了鋰離子、過渡金屬（transition metal）及氧元素。

通常，過渡金屬則選用鈷，當鋰離子從陽極與陰極往復(fù)移動時，可高效存儲并釋放電能。陰極的電容量受限于過渡金屬的電子數(shù)量，前者將參與電池內(nèi)的化學反應(yīng)。

鈷酸鋰電池已在市場上出售了20年，然而，經(jīng)常長期研究后，研究人員發(fā)現(xiàn)另一款價格相對便宜、電量更高的充電電池。沃爾弗頓實驗室的研究團隊在普通鈷酸鋰電池的基礎(chǔ)上提升其性能，主要運用了以下兩種新策略：用鐵元素替代鈷元素、迫使氧元素參與化學反應(yīng)。

若能存儲氧元素并釋放電能，電池電量自然就會提升，可存儲、利用更多的鋰離子。盡管其他研究團隊也曾做過同類研究，但鮮有成功者。

通過數(shù)值計算，沃爾弗頓與Yao發(fā)現(xiàn)了新配方，且該配方的化學反應(yīng)是可逆的。首先，研究團隊用鐵元素替代鈷元素，因為鐵元素是化學周期表中價格最便宜的一款金屬元素。隨后，通過運算，他們發(fā)現(xiàn)了鋰、鐵及氧離子的正確平衡配比，使氧離子與鐵離子能同時推動可逆反應(yīng)，不會引起氧氣脫出。

更重要的是，該款電池一開始就有4個鋰離子，而非1個，將提升電池的容量。而鐵與氧將驅(qū)動電池發(fā)生反應(yīng)，實現(xiàn)四個鋰離子在電池陽極與陰極間的往復(fù)移動。

沃爾弗頓為此申請了一項專利。該團隊接下來將采用其他復(fù)合物，嘗試該策略是否依然能奏效。（本文圖片選自techxplore.com）