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鋰電市場(chǎng)
美國(guó)研發(fā)出鋰鐵氧化物充電電池
2018-01-19  瀏覽:357

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)的沃爾弗頓小組開(kāi)展合作,共同研發(fā)了鋰鐵氧化物充電電池。相較于常見(jiàn)的鈷酸鋰電池,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。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。

據(jù)外媒報(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)。

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