锂铁氧化物充电电池的技术研发

核心提示：据外媒报道，阿贡国家实验室的研究人员与美国西北大学的沃尔弗顿小组开展合作，共同研发了锂铁氧化物充电电池。相较于常见的钴酸锂电池，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。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。

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。（本文图片选自techxplore.com）

审核编辑：符乾江