电池利用铁和氧来驱动更多的锂离子

在纸面上，似乎Christopher Wolverton的超级富锂电池不应该起作用。首先，这种新型电池使用铁，这是一种廉价的金属，在电池方面出了名的失败。在另一个困难的壮举中，电池利用氧气来帮助驱动化学反应，研究人员此前认为这会导致电池变得不稳定。

但是不仅电池工作，而且非常好。

西北大学沃尔弗顿研究小组与阿贡国家实验室的研究人员合作开发出一种可充电锂 -铁氧化物电池，可以比普通的锂 - 钴 - 氧化物电池循环更多的锂离子。

结果是更高容量的电池可以使智能手机和电池供电的汽车能够持续更长时间。

“我们对这种电池反应的计算预测非常令人兴奋，但如果没有实验证实，就会有很多怀疑论者，”西北麦考密克工程学院材料科学与工程教授Wolverton说。“事实上它确实很有效。”

在美国能源部的能源前沿研究中心项目的支持下，该研究最近发表在Nature Energy上。Wolverton实验室的博士生Zhenpeng Yao和Argonne的博士后研究员Chun Zhan担任该论文的第一作者。Wolverton和Yao领导了计算开发，Argonne领导了该研究的实验部分。

锂离子电池通过在阳极和阴极之间来回穿梭锂离子来工作。当电池充电时，离子移回阳极，在那里存储它们。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并返回时，过渡金属(通常为钴)有效地存储和释放电能。然后阴极的容量受到可参与反应的过渡金属中的电子数量的限制。

“在传统的情况下，过渡金属正在做出反应，”Wolverton说。“因为每个钴只有一个锂离子，所以可以存储多少电荷。更糟糕的是，手机或笔记本电脑中的现有电池通常只使用阴极中锂的一半。”

锂钴氧化物电池已经上市20年，但研究人员长期以来一直在寻找更便宜，更高容量的替代品。Wolverton的团队通过利用两种策略改进了常见的锂 - 钴 - 氧化物电池：用铁代替钴，并迫使氧气参与反应过程。

如果氧气也可以储存和释放电能，那么电池将具有更高的储存和使用更多锂的能力。虽然其他研究小组过去曾试图采用这种策略，但很少有人认为这种方法有效。

“以前的问题是，如果你试图让氧气参与反应，那么化合物会变得不稳定，”姚明说。“氧气会从电池中释放出来，使反应不可逆转。”

通过计算计算，Wolverton和Yao发现了一种可逆的工作方式。首先，他们用铁代替钴，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，通过使用计算，他们发现锂，铁和氧离子的正确平衡，使氧气和铁同时驱动可逆反应而不允许氧气逸出。

“不仅电池具有有趣的化学成分，因为我们从金属和氧气中获取电子，但我们正在使用铁，”Wolverton说。“这有可能制造出更便宜的更好的电池。”

或许更重要的是，完全可充电的电池以四个锂离子开始，而不是一个。目前的反应可以可逆地利用这些锂离子中的一种，显着增加了超出当今电池的容量。但是通过使用铁和氧来驱动反应来回循环所有四个循环的潜力是诱人的。

“每种金属都有四种锂离子 - 这将改变一切，”Wolverton说。“这意味着你的手机可以使用时间延长8倍，或者你的车可以再驾驶8倍。如果电池驱动的汽车在范围和成本方面可以与汽油动力汽车竞争或超过汽油动力汽车，那将改变世界。”

Wolverton已向Northwestern的创新和新风险办公室提交了该电池的临时专利。接下来，他和他的团队计划探索这种策略可行的其他化合物。