電池正極結構示意圖，紅色為鋰，綠色為氧，紫色為錳，深藍色為鉻，淺藍色為釩。(來源：美國西北大學)

美國西北大學的研究人員發(fā)現(xiàn)了可穩(wěn)定創(chuàng)紀錄高儲電量電池性能的新方法。在鋰錳氧化物正極基礎之上，這一創(chuàng)新可以使智能手機和電動汽車的電量增加至兩倍以上。

“這一電池電極已達到某一有記載最高的過渡金屬氧化物基電極的容量。它的容量已超過你現(xiàn)用手機或電腦的兩倍。”

美國西北大學McCormick工程學院，材料科學與工程專業(yè)JeromeB.Cohen教授ChristopherWolverton表示。

“這種電極的高容量表明其在用于電動車輛鋰離子電池的目標上有了巨大提升。”Christopher補充道。

這一研究已于5月18日在科學發(fā)展雜志上在線報道。

鋰離子電池以在正負極間往復遷移鋰離子的方式而工作。正極使用含有鋰離子、過渡金屬和氧的化合物制取。過渡金屬，通常為鈷，當鋰離子在正負極間來回遷移時有效地儲存和釋放電能。正極容量因而受到參與反應的過渡金屬中的電子數(shù)量的限制。

一個法國研究團隊于2016年首次鑒別出大容量鋰錳氧化物的性能。通過使用成本更低的錳替代傳統(tǒng)用的鈷，研究人員開發(fā)出一個成本更低廉且具有之前兩倍容量的電極。但它也并非完美無瑕。由于電池性能在頭兩個循環(huán)過程中會大大削減，科學家們認為它無法應用于市場。與此同時，他們并未完全理解電池性能衰退及其擁有大容量的化學根源。

在繪出一個綜合的，原子間相接的正極圖像之后，Wolverton的團隊發(fā)現(xiàn)了材料具備高性能背后的原因：它驅使氧參與到反應過程中來。通過使用氧及過渡金屬來儲存與釋放電能，電池具有了更大的容量來儲存及利用更多的鋰。

隨后，西北大學的團隊將他們的研發(fā)重點轉向如何穩(wěn)定電池性能并阻止它的迅速衰減。

“通過充電過程理論的輔助，我們運用高速計算徹底檢索元素周期表，以尋找合金化該含有其它元素化合物的方法，從而去增強電池的性能。”

文章共同第一作者，Wolverton實驗室的前博士生ZhenpengYao表示。

計算鑒別出兩種可能有效的元素：釩和鉻。研究團隊預估將鋰錳氧化物與其中的一種混合將會產(chǎn)生可維持正極無與倫比高性能的穩(wěn)定化合物。隨后，Wolverton和他的搭檔將在研究室中對這些理論上的化合物進行實驗檢測。

該研究作為電化學能源科學中心，這一由美國能源部科學局資助的能源前沿研究中心的一部分，受到了其基礎能源科學項目(項目編碼：DE-AC02-06CH11357)的支持。哈佛大學的博士后研究人員Yao，與麻省理工學院的博士后研究人員SooKim，均為Wolverton實驗室的前成員，并作為文章的共同第一作者。