西北大學(xué)的一個(gè)研究小組已經(jīng)找到了穩(wěn)定新電池的方法，該電池具有創(chuàng)紀(jì)錄的充電容量。基于鋰錳氧化物陰極，這一突破可以使智能手機(jī)和電池驅(qū)動(dòng)汽車的充電時(shí)間延長(zhǎng)兩倍以上。

“這種電池電極實(shí)現(xiàn)了所有過渡金屬氧化物電極的最高報(bào)告能力之一。它是目前手機(jī)或筆記本電腦中材料容量的兩倍以上，”杰羅姆B公司的ChristopherWolverton說道。該研究的負(fù)責(zé)人是西北麥考密克工程學(xué)院的科恩材料科學(xué)與工程教授。“這種高容量將代表電動(dòng)汽車鋰離子電池目標(biāo)的巨大進(jìn)步。”

該研究于5月14日在線發(fā)表在ScienceAdvances上。

鋰離子電池通過在陽極和陰極之間來回穿梭鋰離子來工作。陰極由包含鋰離子，過渡金屬和氧的化合物制成。當(dāng)鋰離子從陽極移動(dòng)到陰極并返回時(shí)，過渡金屬(通常為鈷)有效地存儲(chǔ)和釋放電能。然后陰極的容量受到可參與反應(yīng)的過渡金屬中的電子數(shù)量的限制。

法國一個(gè)研究小組于2016年首次報(bào)道了大容量鋰-錳-氧化物化合物。通過用較便宜的錳代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鈷，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種容量超過兩倍的更便宜的電極。但它并非沒有挑戰(zhàn)。在前兩個(gè)周期內(nèi)，電池的性能顯著下降，研究人員認(rèn)為它不具備商業(yè)可行性。他們也沒有完全理解大容量或降解的化學(xué)起源。

在制作了陰極的詳細(xì)原子圖片之后，Wolverton的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了材料高容量背后的原因：它迫使氧氣參與反應(yīng)過程。通過使用氧氣-除了過渡金屬-來存儲(chǔ)和釋放電能，電池具有更高的儲(chǔ)存和使用鋰的能力。

接下來，西北特種團(tuán)隊(duì)將注意力轉(zhuǎn)向穩(wěn)定電池，以防止電池迅速退化。

“憑借充電過程的知識(shí)，我們使用高通量計(jì)算掃描周期表，找到將這種化合物與其他可以提高電池性能的元素合金化的新方法，”姚振鵬說，他是聯(lián)合的第一作者。論文和前博士Wolverton實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生。

計(jì)算指出了兩個(gè)要素：鉻和釩。該團(tuán)隊(duì)預(yù)測(cè)，將這兩種元素與鋰-錳-氧化物混合將產(chǎn)生穩(wěn)定的化合物，從而保持陰極前所未有的高容量。接下來，Wolverton和他的合作者將在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)這些理論化合物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

該研究得到了電化學(xué)能源科學(xué)中心的支持，該中心是由美國能源部，科學(xué)，基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室資助的能源前沿研究中心，獎(jiǎng)項(xiàng)編號(hào)為DE-AC02-06CH11357。目前擔(dān)任哈佛大學(xué)博士后研究員的姚明和麻省理工學(xué)院的博士后研究員SooKim都是Wolverton實(shí)驗(yàn)室的前成員，并擔(dān)任該論文的共同第一作者。