“這種電池已經(jīng)達(dá)到了有史以來過渡金屬氧化物電極電池的最高容量，是目前使用的手機(jī)和平板電腦中電池的兩倍多。”負(fù)責(zé)該研究的西北大學(xué)McCormick工程學(xué)院的材料科學(xué)教授ChristopherWolverton說，“這么高的電池容量對(duì)電動(dòng)汽車使用鋰離子電池的目標(biāo)來說是一大進(jìn)步。”

研究結(jié)果于五月14號(hào)發(fā)表在ScienceAdvances上。

鋰離子電池通過在鋰離子在陰極和陽極之間的來回移動(dòng)來工作。陰極由包含鋰離子、一種過渡金屬和氧的化合物構(gòu)成。當(dāng)鋰離子從陽極移動(dòng)到陰極，或從陰極返回陽極時(shí)，過渡金屬(通常為鈷)有效地儲(chǔ)存和釋放電能。陰極容量就是被過渡金屬中可以參與反應(yīng)的電子所限制的。

一個(gè)法國的研究組在2016年第一次報(bào)道了大容量鋰錳氧化物化合物。通過用更便宜的錳取代傳統(tǒng)的鈷，該團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了更便宜但容量為傳統(tǒng)電池2倍多的電極。但這項(xiàng)研究遇到了挑戰(zhàn)：該電池的表現(xiàn)僅在兩輪充電后就明顯下降，阻止了該電池的商業(yè)化。而且他們也沒有完全理解電池大容量和容量下降的化學(xué)本質(zhì)。

在研究了詳細(xì)到原子的陰極結(jié)構(gòu)示意圖后，Wolverton的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了該材料容量大背后的原因：它促使氧氣參與了反應(yīng)。除了使用過渡金屬，通過使用氧氣來儲(chǔ)存和釋放電能，該電池就有了儲(chǔ)存和使用更多鋰的能力。

接下來，西北大學(xué)的團(tuán)隊(duì)將注意力轉(zhuǎn)向穩(wěn)定電池，防止它的存儲(chǔ)能力快速下降。

“根據(jù)掌握的充放電知識(shí)，我們使用高通量計(jì)算來遍歷元素周期表，尋找為適于融入電極的從而提高電池表現(xiàn)的元素。”該論文的第一作者之一，也是Wolverton實(shí)驗(yàn)室的前博士生，ZhenpengYao說。

該計(jì)算方法確定了兩種元素：鉻和釩。團(tuán)隊(duì)預(yù)測(cè)使用其中任意一種與鋰錳氧化物混合將出現(xiàn)保持陰極高容量的化合物。接下來，Wolverton和他的合作者們將在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試這些理論中的化合物。

該研究是電子化學(xué)能源中心(theCenterforElectrochemicalEnergyScience)的一部分。該研究中心是由美國能源部科學(xué)中心基礎(chǔ)能源科學(xué)部建立的前沿能源研究中心，榮譽(yù)號(hào)碼為DE-AC02-06CH11357。目前是哈佛大學(xué)博士后研究員的Yao和麻省理工學(xué)院博士后研究員SooKim都是Wolverton實(shí)驗(yàn)室的前任成員，并列該論文的第一作者。