ChristopherWolverton的超級鋰離子電池理論上可以正常工作。在一項艱巨的任務(wù)中，電池利用氧氣驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)，研究人員以前認為這將導(dǎo)致電池變得不穩(wěn)定，但實驗發(fā)現(xiàn)不僅電池能正常工作，并且它性能極高。

Northwestern大學(xué)Wolverton研究小組與Argonne國家實驗室的研究人員合作，開發(fā)了一種可再充電的鋰-鐵-氧化物電池，其鋰離子循環(huán)比普通鋰-鈷-氧化物電池多。可制成更高容量的電池并能夠使智能電話和電動汽車持續(xù)續(xù)航。

“我們對這種電池反應(yīng)的預(yù)測計算是極具前景的，但若無實驗過程進行證實，會出現(xiàn)很多懷疑論者，”Northwestern大學(xué)McCormick工程學(xué)院材料科學(xué)與工程教授Wolverton說，“它實際上起到的用途是極其顯著的”。

鋰離子電池通過在陽極和陰極之間來回穿梭鋰離子進行工作。當電池充電時，離子移回陽極，儲存在那里。陰極由鋰離子，過渡金屬和氧的化合物制成。當鋰離子從陽極移動到陰極并返回時，鈷能有效地儲存和釋放電能，陰極容量隨之受到參與反應(yīng)的過渡金屬中電子數(shù)量的限制。

“在傳統(tǒng)情況下，過渡金屬可進行反應(yīng)，”Wolverton說，“因為每個鈷只代表一個鋰離子，所以具有存儲電量的限制，更糟糕的是，目前手機或筆記本電腦中的電池通常只使用陰極的一半鋰。”

鋰-鈷-氧化物電池已經(jīng)上市了20年，但研究人員欲尋求更便宜，更高容量的替代品。Wolverton的團隊利用兩種策略改進了普通鋰-鈷-氧化物電池：用鐵代替鈷，并迫使氧氣參與反應(yīng)過程。

假如氧氣還可以儲存和釋放電能，電池將具有更高效儲存和使用鋰的能力。雖然其他研究小組過去曾經(jīng)試過這個策略，但是很少有人實現(xiàn)這一點。“之前的問題往往在于，假如你試圖讓氧氣參與反應(yīng)，化合物就會變得不穩(wěn)定，”Yao說，“氧氣將從電池釋放出來，使反應(yīng)不可逆轉(zhuǎn)。”

通過計算，Wolverton和Yao發(fā)現(xiàn)了一個可逆轉(zhuǎn)的公式。首先，他們用鐵代替鈷，這是極具優(yōu)勢的，因為它是元素周期表中最便宜的元素之一。其次，通過計算，他們發(fā)現(xiàn)了鋰離子，鐵離子和氧離子的正確平衡，以使氧氣和鐵離子同時驅(qū)動可逆反應(yīng)，而不會讓氧氣逸出。

Wolverton說：“不僅電池會發(fā)生一個有趣的化學(xué)反應(yīng)，因為我們從金屬和氧氣，而不是鐵來獲得電子。這有可能使更好的電池也將更便宜。”更為重要的是，完全可充電電池由四個鋰離子驅(qū)動，目前的反應(yīng)可以可逆地利用這些鋰離子中的一種，顯著超過當今電池的容量。但是，用鐵和氧來驅(qū)動反應(yīng)，會使所有四個循環(huán)極具前景。

Wolverton說：“每種金屬都含有四個鋰離子-這將改變一切鋰離子電池。”這意味著你的手機可以持續(xù)八倍的壽命，或者你的汽車可以繼續(xù)駕駛八次，假如電動汽車在范圍和成本方面可以與汽油動力汽車競爭甚至超過它，這將改變世界能源市場。