近日，美國馬里蘭大學(xué)、能源部國家實(shí)驗(yàn)室與美國軍方研究人員合作研發(fā)出一種新型陰極納米材料鋰電池，其能量密度達(dá)到現(xiàn)有商用鋰電池的3倍，該研究成果發(fā)表于《自然通訊》期刊。

隨著鋰電池的應(yīng)用越來越廣泛，高能量密度的電池需求也越來越大。然而傳統(tǒng)商業(yè)化的鋰電池中，陽極材料通常為石墨等良好導(dǎo)電材料，但陰極材料的容量卻十分有限。論文主要作者之一馬里蘭大學(xué)研究人員范修林說，“陰極材料是鋰電池研究里的瓶頸所在，在此基礎(chǔ)上提高電池能量密度十分困難。”

為解決這一問題，來自美國多個機(jī)構(gòu)的研究人員合成了一種經(jīng)過工程修飾的三氟化鐵(FeF3),它具有更高的能量密度，并具有環(huán)境友好的特點(diǎn)。

事實(shí)上，三氟化鐵材料此前并沒有用來做鋰電池陰極材料。當(dāng)發(fā)生電極反應(yīng)時，三氟化鐵獲得來自鋰的電子，轉(zhuǎn)變?yōu)殍F與氟化鋰。由于這種化合物具有一定的磁滯效應(yīng)，在電極反應(yīng)中速率較低，其反應(yīng)副產(chǎn)物也會阻礙電極反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。此外，這個反應(yīng)不完全可逆，這也就意味著三氟化鐵電極反應(yīng)循環(huán)次數(shù)十分有限，且會大大降低電池的經(jīng)濟(jì)性能。

針對這些問題，研究人員通過大量實(shí)驗(yàn)研究，從微觀層面發(fā)現(xiàn)了此電極反應(yīng)的機(jī)理。通過使用透射電鏡(TEM)，研究人員確定了陰極納米材料的真實(shí)尺寸，并觀察到其充放電過程中的結(jié)構(gòu)變化。此后，研究人員運(yùn)用X射線粉末衍射(XPD)技術(shù)，觀察到納米棒中晶體結(jié)構(gòu)，從而發(fā)現(xiàn)，加入其他原子可以有效提升反應(yīng)速率。因此，研究小組使用化學(xué)替代法將鈷原子和氧原子加入到三氟化鐵納米棒中，改變了其反應(yīng)機(jī)理，從而讓三氟化鐵的電極反應(yīng)變得可逆，大大增加了電池壽命。