如果电动汽车电池的关键成分不是稀缺的昂贵元素，而是普通元素，情况会怎样?俄勒冈州立大学化学研究人员共同领导的一项合作研究希望通过展示铁代替钴和镍作为锂离子电池的阴极材料，引发一场绿色电池革命。
俄勒冈州立大学的Xiulei“David”Ji指出，这项发表在《科学进展》杂志上的研究成果具有多种重要意义。
“我们改变了最便宜的金属商品铁的反应性，”他说。“我们的电极可以提供比电动汽车最先进的阴极材料更高的能量密度。而且由于我们使用铁，其成本可能不到每公斤一美元——只是目前高能锂离子电池中不可或缺的镍和钴的一小部分——我们的电池成本可能会低得多。”
吉表示，目前阴极占锂离子电池制造成本的50%。他补充说，除了经济效益之外，铁基阴极还能提高安全性和可持续性。
随着越来越多的锂离子电池被生产出来用于交通运输领域，全球对镍和钴的需求也随之飙升。吉指出，在未来几十年内，预计镍和钴的短缺将阻碍电池生产的发展，就像目前的情况一样。
此外，这些元素的能量密度已经达到了上限，如果进一步提高，充电过程中释放的氧气可能会导致电池起火，而且钴是有毒的，这意味着如果它从垃圾填埋场渗出，可能会污染生态系统和水源。
吉说，综合所有这些，就很容易理解全球对新型、更可持续的电池化学技术的追求。
电池以化学能的形式储存电能，并通过反应将其转化为车辆、手机、笔记本电脑和许多其他设备和机器所需的电能。电池有多种类型，但大多数电池的基本工作原理相同，包含相同的基本组件。
电池由两个电极(阳极和阴极，通常由不同的材料制成)以及隔膜和电解质(一种允许电荷流动的化学介质)组成。在电池放电过程中，电子从阳极流入外部电路，然后在阴极处收集。
正如其名称所示，锂离子电池中的电荷是通过锂离子传输的，在放电过程中，锂离子会通过电解质从阳极移动到阴极，充电时再返回。
“我们的铁基阴极不会受到资源短缺的限制，”吉说，他解释说，铁除了是地球上质量最大的元素外，还是地壳中第四丰富的元素。“直到太阳变成红巨星，我们的铁都不会耗尽。”
季教授与来自多所大学和国家实验室的合作者设计了一种基于氟和磷酸根阴离子(带负电荷的离子)混合物的化学环境，提高了阴极中铁的反应性。
该混合物充分混合成固体溶液，可实现铁粉、氟化锂和磷酸锂的细混合物向铁盐的可逆转化(即电池可以充电)。
季先生表示：“我们已经证明，采用阴离子的材料设计可以突破电池能量密度的上限，使电池更具可持续性，成本更低。”
“我们不会将更昂贵的盐与铁结合使用，我们只会使用电池行业一直在使用的盐和铁粉。要将这种新阴极投入使用，无需改变其他任何东西，无需新的阳极、新的生产线、新的电池设计。我们只是更换了一样东西，即阴极。”
纪说，存储效率仍需改进。目前，充电时输入电池的电量并非全部都可以在放电时使用。纪预计，改进完成后，电池的性能将远优于目前使用的电池，成本更低，更环保。
“如果有资金投入这项技术，它很快就会实现商业化，”Ji说道。“我们需要行业内的远见卓识者将资源投入到这一新兴领域。世界可以拥有一个基于一种与钴和镍相比几乎免费的金属的阴极行业。虽然你必须非常努力地回收钴和镍，但你甚至不需要回收铁——如果你放任不管，它就会变成铁锈。”
这项研究由阿贡国家实验室的TongchaoLiu共同领导，参与者包括俄勒冈州立大学的MingliangYu、MinSooJung和SeanSandstrom。
范德比尔特大学、斯坦福大学、马里兰大学、劳伦斯伯克利国家实验室和SLAC国家加速器实验室的科学家也做出了贡献。
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