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| 美國(guó)利用兩項(xiàng)研究策略 研發(fā)鋰鐵氧化物充電電池 |
| （時(shí)間:2018-1-22 14:26:50） |
據(jù)報(bào)道，阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Argonne National Laboratory）的研究人員與美國(guó)西北大學(xué)的沃爾弗頓（Wolverton）小組開(kāi)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(jiàn)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(dòng)量更大，這是由于其電容量較大，從而延長(zhǎng)電動(dòng)車的續(xù)航時(shí)間。
該研究獲得了美國(guó)能源部旗下的能源前沿研究中心（Energy Frontier Research Center）項(xiàng)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(shí)驗(yàn)室博士生Zhenpeng Yao及阿貢實(shí)驗(yàn)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(fù)責(zé)計(jì)算研發(fā)，而阿貢實(shí)驗(yàn)室則負(fù)責(zé)該研究的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。
在電池的充放電過(guò)程中，鋰離子會(huì)在陽(yáng)極與陰極間的往復(fù)移動(dòng)。當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子回到陽(yáng)極并存儲(chǔ)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(guò)渡金屬（transition metal）及氧元素。
通常，過(guò)渡金屬則選用鈷，當(dāng)鋰離子從陽(yáng)極與陰極往復(fù)移動(dòng)時(shí)，可高效存儲(chǔ)并釋放電能。陰極的電容量受限于過(guò)渡金屬的電子數(shù)量，前者將參與電池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)。
鈷酸鋰電池已在市場(chǎng)上出售了20年，然而，經(jīng)常長(zhǎng)期研究后，研究人員發(fā)現(xiàn)另一款價(jià)格相對(duì)便宜、電量更高的充電電池。沃爾弗頓實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)在普通鈷酸鋰電池的基礎(chǔ)上提升其性能，主要運(yùn)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(xué)反應(yīng)。
若能存儲(chǔ)氧元素并釋放電能，電池電量自然就會(huì)提升，可存儲(chǔ)、利用更多的鋰離子。盡管其他研究團(tuán)隊(duì)也曾做過(guò)同類研究，但鮮有成功者。
通過(guò)數(shù)值計(jì)算，沃爾弗頓與Yao發(fā)現(xiàn)了新配方，且該配方的化學(xué)反應(yīng)是可逆的。首先，研究團(tuán)隊(duì)用鐵元素替代鈷元素，因?yàn)殍F元素是化學(xué)周期表中價(jià)格最便宜的一款金屬元素。隨后，通過(guò)運(yùn)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(shí)推動(dòng)可逆反應(yīng)，不會(huì)引起氧氣脫出。
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)鋰離子在電池陽(yáng)極與陰極間的往復(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。
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