兩種策略增加電量 研發(fā)鋰鐵氧化物電池

日前，據(jù)外媒報(bào)道，阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員與美國(guó)西北大學(xué)沃爾弗頓集團(tuán)合作，共同開(kāi)發(fā)鋰鐵氧化物可充電電池。與目前常見(jiàn)的鈷酸鋰電池相比，新電池在充放電過(guò)程中鋰離子移動(dòng)量更大，因此其能量密度更高。如果用在純電動(dòng)汽車(chē)上，可以提高續(xù)航能力。

這項(xiàng)研究得到了美國(guó)能源部能源前沿研究中心項(xiàng)目的支持，其研究成果發(fā)表在《自然能源》上。該研究論文的第一作者是沃爾弗頓實(shí)驗(yàn)室的博士生·姚和阿貢實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員春展。沃爾弗頓和姚負(fù)責(zé)計(jì)算的研發(fā)，而阿貢實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)這項(xiàng)研究的實(shí)驗(yàn)部分。

鋰電池在充放電過(guò)程中，實(shí)際上鋰離子在正極和負(fù)極之間來(lái)回移動(dòng)，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能:充電時(shí)，鋰離子從正極移動(dòng)到負(fù)極并停留在那里儲(chǔ)存電能，此時(shí)電池負(fù)極由多種物質(zhì)組成，包括鋰離子、過(guò)渡金屬和氧元素；放電時(shí)，鋰離子從負(fù)極移動(dòng)到正極，釋放電能。

鋰電池的容量主要受過(guò)渡金屬的電子數(shù)限制。鈷是鈷酸鋰電池的過(guò)渡金屬，鈷是一種稀有金屬。全球的儲(chǔ)量和開(kāi)采量相當(dāng)有限，這也是鈷酸鋰電池相對(duì)昂貴的原因之一。

雖然鈷酸鋰電池已經(jīng)上市20年，但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究，研究人員發(fā)現(xiàn)了另一種價(jià)格相對(duì)較低、功率較高的可充電電池。沃爾弗頓實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)使用了兩種策略:用鐵代替鈷和迫使氧參與化學(xué)反應(yīng)，以提高普通鈷酸鋰電池的性能。

通過(guò)理論計(jì)算，沃爾弗頓和他的同事們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的公式，并且這個(gè)公式的化學(xué)反應(yīng)是可逆的。首先，研究小組用鐵代替了鈷，因?yàn)殍F是元素周期表中最便宜的金屬元素。然后，通過(guò)計(jì)算，他們找到了正確的鋰、鐵、氧離子的平衡比例，使氧離子和鐵離子可以同時(shí)促進(jìn)可逆反應(yīng)而不發(fā)生氧剝離。

更重要的是，該款電池一開(kāi)始就有4個(gè)鋰離子，而非1個(gè)，將提升電池的容量。而鐵與氧將驅(qū)動(dòng)電池發(fā)生反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)四個(gè)鋰離子在電池正負(fù)極間的往復(fù)移動(dòng)。沃爾弗頓為此申請(qǐng)了一項(xiàng)專利。該團(tuán)隊(duì)接下來(lái)將采用其他復(fù)合物，嘗試該策略是否依然能奏效。由此可見(jiàn)，若新型電池能夠從實(shí)驗(yàn)室階段進(jìn)入商業(yè)量產(chǎn)階段，純電動(dòng)車(chē)的續(xù)航能力有可能提高3-4倍。