Wolverton的團隊與Argonne國家實驗室的研究人員合作成功研制出了一種可充電的鋰-氧化鐵電池，這種電池能夠比普通的鋰鈷氧化物電池循環(huán)使用更多的鋰離子。

結(jié)果是得到一個更大容量的電池，這將使得由電池供電的電動汽車和智能手機持續(xù)工作更長時間。

西北大學(xué)麥考密克工程學(xué)院材料科學(xué)與工程教授Wolverton說:我們對電池的計算結(jié)果是十分興奮的，但是如果沒有實驗證實，就會有很多懷疑論者懷疑它的科學(xué)性。事實上他確實作用是很顯著的。

這項由美國能源部能源前沿研究中心(EnergyFrontierresearchCenterprogram)支持的研究最近在《自然能源》(NatureEnergy)雜志上發(fā)表。在Wolverton實驗室的博士生ZhenpengYao和Argonne的博士后ChunZhan是該論文的第一批作者。阿貢領(lǐng)導(dǎo)了這項研究的實驗部分，沃爾弗頓和姚明負責(zé)計算開發(fā)。

鋰離子電池的工作原理是在陽極和陰極間來回穿梭鋰離子。當(dāng)電池充電時，離子會移動到陽極。陰極由一種由過渡金屬、鋰離子和氧組成的化合物生成。過渡金屬通常是鈷，當(dāng)鋰離子從陽極傳遞到陰極然后再返回時，有效地儲存和釋放電能。然后陰極的容量被過渡金屬中的電子數(shù)量給限制了。

20年來，鋰鈷氧化物電池一直在商業(yè)上可用，但研究人員長期以來一直在尋找更大容量、更便宜的替代品。Wolverton的團隊利用兩種策略增強了普通的鋰鈷氧化物電池:用鐵代替鈷迫使氧氣參與反應(yīng)過程。

如果氧氣還能儲存和釋放電能，電池將有更大的容量儲存，然后使用越來越多的鋰。盡管其他研究團隊過去也嘗試過這種方法，但只有少數(shù)人成功。

“以前的問題是，如果你試圖讓氧氣參與反應(yīng)，化合物就會變得不穩(wěn)定，”Yao說。“氧氣會從電池中釋放出來，使反應(yīng)不可逆。

Wolverton和Yao通過計算發(fā)現(xiàn)了一種能夠使工作可逆的公式。他們首先用鐵代替鈷，這是有益的，因為它是周期表上最便宜的元素之一。通過計算，他們發(fā)現(xiàn)了鋰、鐵和氧離子的正確平衡方式，以便讓鐵和氧同時驅(qū)動可逆反應(yīng)，防止氧氣的逸出。

Wolverton說“由于我們從金屬和氧得到電子，而且我們使用的金屬是鐵，我們的電池不僅有很有趣的化學(xué)成分，而且有可能制造出更加便宜的電池”

另一個重要的方面是，完全充電電池不是一個鋰離子開始的而是由四個鋰離子開始的。目前的反應(yīng)是能夠可逆地利用其中一個鋰離子，主要是提高現(xiàn)有電池的容量。然而，通過使用氧氣和鐵來驅(qū)動整個反應(yīng)的可能性確實是誘人的。

“每個金屬有四個鋰離子，這將改變一切，”Wolverton說。“這意味著你的手機可以延長8倍，或者你的車能開8倍的距離。如果電動車能夠在行駛里程和成本方面與汽油動力汽車競爭，那么這將改變世界。”

Wolverton已經(jīng)向西北大學(xué)的創(chuàng)新和風(fēng)險投資辦公室提出了電池的臨時專利。展望未來，沃爾弗頓和他的團隊計劃發(fā)現(xiàn)其他的化合物來證明這一策略可以發(fā)揮作用。