潜在材料可稳定超高容量锂离子电池性能

电池正极结构示意图，红色为锂，绿色为氧，紫色为锰，深蓝色为铬，浅蓝色为钒。(来源：美国西北大学)

美国西北大学的研究人员发现了可稳定创纪录高储电量电池性能的新方法。在锂锰氧化物正极基础之上，这一创新可以使智能手机和电动汽车的电量新增至两倍以上。

“这一电池电极已达到某一有记载最高的过渡金属氧化物基电极的容量。它的容量已超过你现用手机或电脑的两倍。”

美国西北大学McCormick工程学院，材料科学与工程专业JeromeB.Cohen教授ChristopherWolverton表示。

“这种电极的高容量表明其在用于电动汽车辆锂离子电池的目标上有了巨大提升。”Christopher补充道。

这一研究已于五月十八日在科学发展杂志上在线报道。

锂离子电池以在正负极间往复迁移锂离子的方式而工作。正极使用含有锂离子、过渡金属和氧的化合物制取。过渡金属，通常为钴，当锂离子在正负极间来回迁移时有效地储存和释放电能。正极容量因而受到参与反应的过渡金属中的电子数量的限制。

一个法国研究团队于2016年首次鉴别出大容量锂锰氧化物的性能。通过使用成本更低的锰替代传统用的钴，研究人员开发出一个成本更低廉且具有之前两倍容量的电极。但它也并非完美无瑕。由于电池性能在头两个循环过程中会大大削减，科学家们认为它无法应用于市场。与此同时，他们并未完全理解电池性能衰退及其拥有大容量的化学根源。

在绘出一个综合的，原子间相接的正极图像之后，Wolverton的团队发现了材料具备高性能背后的原因：它驱使氧参与到反应过程中来。通过使用氧及过渡金属来储存与释放电能，电池具有了更大的容量来储存及利用更多的锂。

随后，西北大学的团队将他们的研发重点转向如何稳定电池性能并阻止它的迅速衰减。

“通过充电过程理论的辅助，我们运用高速计算彻底检索元素周期表，以寻找合金化该含有其它元素化合物的方法，从而去增强电池的性能。”

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

计算鉴别出两种可能有效的元素：钒和铬。研究团队预估将锂锰氧化物与其中的一种混合将会出现可维持正极无与伦比高性能的稳定化合物。随后，Wolverton和他的搭档将在研究室中对这些理论上的化合物进行实验检测。

该研究作为电化学能源科学中心，这一由美国能源部科学局资助的能源前沿研究中心的一部分，受到了其基础能源科学项目(项目编码：DE-AC02-06CH11357)的支持。哈佛大学的博士后研究人员Yao，与麻省理工学院的博士后研究人员SooKim，均为Wolverton实验室的前成员，并作为文章的共同第一作者。