從表面上看，克里斯托弗·沃爾弗頓的超級富鋰電池似乎不起作用。一方面，新型電池使用鐵，一種便宜的金屬，眾所周知，這種金屬未能在電池中失效。另外一項艱巨的任務是，電池利用氧氣幫助推動化學反應，研究人員此前認為這會導致電池變得不穩(wěn)定。

但是，電池不僅可以正常工作，而且效果非常好。

西北大學的沃爾弗頓小組與阿貢國家實驗室的研究人員合作，開發(fā)了一種可充電的鋰鐵氧化物電池，該電池可循環(huán)使用的鋰離子比普通鋰鈷氧化物多。

結果是更高容量的電池可以使智能手機和電池驅(qū)動的汽車使用更長的時間。

西北部麥考密克工程學院材料科學與工程學教授沃爾夫頓說：“我們對這種電池反應的計算預測非常令人興奮，但是如果沒有實驗證實，就會有很多懷疑論者。” “它實際上有效的事實是驚人的。”

在能源部能源前沿研究中心計劃的支持下，這項研究最近在《自然能源》上發(fā)表。伍爾弗頓實驗室的博士學位研究生姚振鵬和阿貢大學的博士后研究員Chun Zhan是該論文的第一作者。Wolverton和Yao領導了計算開發(fā)，而Argonne領導了研究的實驗部分。

鋰離子電池的工作原理是在陽極和陰極之間來回穿梭鋰離子。電池充電后，離子會移動回陽極，并在那里存儲。陰極由包含鋰離子，過渡金屬和氧的化合物制成。當鋰離子從陽極移動到陰極然后返回時，通常為鈷的過渡金屬有效地存儲和釋放電能。然后，陰極的容量受到過渡金屬中可參與反應的電子數(shù)量的限制。

沃爾弗頓說：“在常規(guī)情況下，過渡金屬會發(fā)生反應。” “因為每一個鈷只有一個鋰離子，所以限制了可以存儲多少電荷。更糟糕的是，手機或筆記本電腦中的當前電池通常只在陰極中使用一半的鋰。”

鋰鈷氧化物電池已經(jīng)投放市場20年了，但是研究人員長期以來一直在尋找更便宜，容量更大的替代品。Wolverton的團隊通過利用以下兩種策略對普通的鋰鈷氧化物電池進行了改進：采用鐵替代鈷，以及迫使氧氣參與反應過程。

如果氧氣還可以存儲和釋放電能，則電池將具有更高的存儲和使用更多鋰的容量。盡管其他研究小組過去也曾嘗試過這種策略，但很少有人使它起作用。

姚明說：“以前的問題是，如果經(jīng)常嘗試讓氧氣參與反應，該化合物將變得不穩(wěn)定。” “氧氣將從電池中釋放出來，使反應不可逆。”

通過計算，Wolverton和Yao發(fā)現(xiàn)了一種可逆地起作用的公式。首先，他們用鐵代替了鈷，這是有利的，因為它是元素周期表中最便宜的元素之一。其次，通過計算，他們發(fā)現(xiàn)了鋰，鐵和氧離子的正確平衡，從而使氧和鐵能夠同時驅(qū)動可逆反應，而不會逸出氧氣。

沃爾弗頓說：“電池不僅具有令人感興趣的化學性質(zhì)，因為我們從金屬和氧氣中都獲取了電子，而且還使用了鐵。” “這有可能制造出更好的廉價電池。”

甚至更重要的是，完全可充電電池從四個鋰離子而不是一個鋰離子開始。當前的反應可以可逆地利用這些鋰離子之一，從而大大增加了當今電池的容量。但是，通過同時使用鐵和氧來驅(qū)動反應來循環(huán)這四個循環(huán)的潛力令人著迷。

沃爾弗頓說：“每種金屬有四個鋰離子，這將改變一切。” “這意味著您的手機使用壽命可能延長八倍，而汽車的行駛時間可能會延長八倍。如果電池驅(qū)動的汽車在續(xù)航里程和成本方面能夠與汽油驅(qū)動的汽車競爭甚至超過汽油驅(qū)動的汽車，那么這將改變整個世界。”

Wolverton已向西北航空的創(chuàng)新和新創(chuàng)企業(yè)辦公室申請了該電池的臨時專利。接下來，他和他的團隊計劃探索其他可以使用該策略的化合物。