能将锂电池蓄电量提升3倍的新型三氟化铁阴极

近日，美国马里兰大学、能源部国家实验室与美国军方研究人员合作研发出一种新型阴极纳米材料锂电池，其能量密度达到现有商用锂电池的3倍，该研究成果发表于《自然通讯》期刊。

随着锂电池的应用越来越广泛，高能量密度的电池需求也越来越大。然而传统商业化的锂电池中，阳极材料通常为石墨等良好导电材料，但阴极材料的容量却十分有限。论文主要作者之一马里兰大学研究人员范修林说，“阴极材料是锂电池研究里的瓶颈所在，在此基础上提高电池能量密度十分困难。”

为解决这一问题，来自美国多个机构的研究人员合成了一种经过工程修饰的三氟化铁(FeF3),它具有更高的能量密度，并具有环境友好的特点。

事实上，三氟化铁材料此前并没有用来做锂电池阴极材料。当发生电极反应时，三氟化铁获得来自锂的电子，转变为铁与氟化锂。由于这种化合物具有一定的磁滞效应，在电极反应中速率较低，其反应副产物也会阻碍电极反应继续进行。此外，这个反应不完全可逆，这也就意味着三氟化铁电极反应循环次数十分有限，且会大大降低电池的经济性能。

针对这些问题，研究人员通过大量实验研究，从微观层面发现了此电极反应的机理。通过使用透射电镜(TEM)，研究人员确定了阴极纳米材料的真实尺寸，并观察到其充放电过程中的结构变化。此后，研究人员运用X射线粉末衍射(XPD)技术，观察到纳米棒中晶体结构，从而发现，加入其他原子可以有效提升反应速率。因此，研究小组使用化学替代法将钴原子和氧原子加入到三氟化铁纳米棒中，改变了其反应机理，从而让三氟化铁的电极反应变得可逆，大大增加了电池寿命。