电池利用铁和氧来驱动更多的锂离子

从理论上讲，克里斯托弗·沃尔夫顿的超级富锂电池应该不起作用。 首先，这种新型电池使用的是铁，这是一种廉价的金属，在电池中已经臭名昭著地失败了。 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，研究人员以前认为这会导致电池变得不稳定。

但不仅电池工作，它做得非常好。

与Argonne国家实验室的研究人员合作，西北大学的Wolverton小组开发了一种可充电的锂-铁氧化物电池，可以比其普通的锂-钴-氧化物电池循环更多的锂离子。

其结果是一个更高容量的电池，可以使智能手机和电池驱动的汽车持续更长的时间。

西北大学McCormick工程学院材料科学与工程教授沃尔弗顿说：“我们对电池反应的计算预测非常令人兴奋，但如果没有实验证实，就会有很多怀疑者。” “它确实有效，这一事实令人瞩目。”

在美国能源部能源前沿研究中心计划的支持下，这项研究最近发表在“自然能源”上。 沃尔弗顿实验室的博士生姚振鹏和阿尔贡的博士后研究员春战担任论文的第一作者。 沃尔弗顿和姚领导了计算开发，阿尔贡领导了研究的实验组件。

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，离子会回到阳极，在那里储存它们。 阴极由一种由锂离子、过渡金属和氧组成的化合物制成。 过渡金属，通常是钴，有效地储存和释放电能时，锂离子从阳极到阴极和背面。 然后，阴极的容量受到可以参与反应的过渡金属中电子数的限制。

“在传统的情况下，过渡金属正在做反应，”沃尔弗顿说。 因为每一钴只有一个锂离子，所以可以储存多少电荷。 更糟糕的是，手机或笔记本电脑中的当前电池通常只使用阴极中一半的锂。”

锂-钴氧化物电池已经上市20年了，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。 沃尔弗顿的团队通过利用两种策略改进了普通锂钴氧化物电池：用铁代替钴，并迫使氧气参与反应过程。

如果氧气也能储存和释放电能，电池将有更高的容量储存和使用更多的锂。 虽然其他研究小组过去曾尝试过这一战略，但很少有人使其奏效。

姚明说：“以前的问题是，如果你试图获得氧气参与反应，化合物就会变得不稳定。” “氧气会从电池中释放出来，使反应不可逆。”

通过计算，沃尔弗顿和姚发现了一种可逆工作的公式。 首先，他们用铁代替钴，这是有利的，因为它是周期表上最便宜的元素之一。 其次，通过计算，他们发现了锂、铁和氧离子的正确平衡，使氧和铁同时驱动可逆反应，而不允许氧气逸出。

沃尔弗顿说：“电池不仅有一种有趣的化学反应，因为我们从金属和氧气中获得电子，而且我们使用的是铁。” “这有可能制造出更好的电池，而且电池价格也很便宜。”

也许更重要的是，完全可充电的电池开始于四个锂离子，而不是一个。 目前的反应可以可逆地利用其中一种锂离子，大大增加了超过今天的电池的容量。 但是，利用铁和氧来驱动反应的四个来回循环的潜力是诱人的。

沃尔弗顿说：“每种金属都有四种锂离子——这会改变一切。 这意味着你的手机可以再开八倍，或者你的车可以再开八倍。 如果以电池为动力的汽车能在续航里程和成本上与汽油为动力的汽车竞争或超越，那将改变世界。”

沃尔弗顿已向西北创新和新企业办公室提交了电池的临时专利。 接下来，他和他的团队计划探索其他化合物，这种策略可以发挥作用。

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