近日，美國馬里蘭大學、能源部國家實驗室與美國軍方研究人員合作研發(fā)出一種新型陰極納米材料鋰電池，其能量密度達到現(xiàn)有商用鋰電池的3倍，該研究成果發(fā)表于《自然通訊》期刊。

隨著鋰電池的應用越來越廣泛，高能量密度的電池需求也越來越大。然而傳統(tǒng)商業(yè)化的鋰電池中，陽極材料通常為石墨等良好導電材料，但陰極材料的容量卻十分有限。論文主要作者之一馬里蘭大學研究人員范修林說，“陰極材料是鋰電池研究里的瓶頸所在，在此基礎(chǔ)上提高電池能量密度十分困難。”

為解決這一問題，來自美國多個機構(gòu)的研究人員合成了一種經(jīng)過工程修飾的三氟化鐵(FeF3),它具有更高的能量密度，并具有環(huán)境友好的特點。

事實上，三氟化鐵材料此前并沒有用來做鋰電池陰極材料。當發(fā)生電極反應時，三氟化鐵獲得來自鋰的電子，轉(zhuǎn)變?yōu)殍F與氟化鋰。由于這種化合物具有一定的磁滯效應，在電極反應中速率較低，其反應副產(chǎn)物也會阻礙電極反應繼續(xù)進行。此外，這個反應不完全可逆，這也就意味著三氟化鐵電極反應循環(huán)次數(shù)十分有限，且會大大降低電池的經(jīng)濟性能。

針對這些問題，研究人員通過大量實驗研究，從微觀層面發(fā)現(xiàn)了此電極反應的機理。通過使用透射電鏡(TEM)，研究人員確定了陰極納米材料的真實尺寸，并觀察到其充放電過程中的結(jié)構(gòu)變化。此后，研究人員運用X射線粉末衍射(XPD)技術(shù)，觀察到納米棒中晶體結(jié)構(gòu)，從而發(fā)現(xiàn)，加入其他原子可以有效提升反應速率。因此，研究小組使用化學替代法將鈷原子和氧原子加入到三氟化鐵納米棒中，改變了其反應機理，從而讓三氟化鐵的電極反應變得可逆，大大增加了電池壽命。