鐵基電池材料實現了更高的能量狀態，這保證了更好的存儲和電壓。

研究人員創造了一種能量更加豐富的鐵基電池存儲材料。這一突破還可以改善磁共振成像和磁懸浮技術的應用。

斯坦福大學校友 William Gent 在 2018 年的博士論文中提出了開發一種鐵基材料的建議，如果可行的話，將為鐵創造更高的能態——這一突破可以極大地改善能源存儲以及其他技術。

然而，根特在他的博士學習時間結束之前才邁出了創建材料的第一步。

邁向 2025 年：隨後三位斯坦福大學博士生學生 Hari Ramachandran、Edward Mu 和 Eder Lomeli 領導了一個跨學科團隊，在根特工作的基礎上，取得了一項基本發現，該發現實際上創造了比以前認為的鐵基材料可能存在的更高的勢能狀態。該團隊包括來自三所美國大學、四所美國國家實驗室以及日本和韓國大學的 23 名科學家。 天然材料 發表 該小組本月早些時候的工作成果。

該團隊的發現的直接潛在應用是鋰離子電池，但其他可能的應用包括磁性應用，例如醫學中的磁共振成像（MRI）機器和高速列車的磁懸浮技術。研究結果也可能有助於超導體的發展。

尤里卡，有​​​​一個轉折

鐵通常參與釋放和重新吸收電子的反應，稱為氧化還原反應。從體內輸送氧氣到植物生長再到自行車生鏽，鐵的氧化還原反應是我們生活的重要組成部分。

鐵原子傾向於將其對這些反應的貢獻限制在鐵的 26 個電子中的兩個或三個。根特相信，他可以通過讓這種材料反復向鐵原子釋放五個電子並在充電時收回五個電子來做得更好。研究人員表示，關鍵是防止材料晶體結構中的鐵原子彼此靠得太近。否則，諸如氧原子鍵合之類的副反應會阻止鐵轉變為更高的氧化態。通過使用鋰離子電池的陰極，這可以讓電池存儲更多的能量並提供更高的電壓。

當 Ramachandran 和 Mu 於 2021 年接手根特的工作時，他們最初無法防止電池材料的晶體結構在充電過程中分解。他們認為將材料顆粒做得非常小會有所幫助。

這並不容易。

Ramachandran 博士表示：“事實證明，製造非常小的顆粒（直徑僅為 300 至 400 納米，即十億分之一米，比以前小約 40 倍）具有挑戰性。” ’25。

2022年，他和穆找到了解決辦法。

“實際上是一種解決方案。我們從精心準備的液體中生長出晶體，”穆說。 “在我們的電化學測試中，該材料似乎導致鐵可逆地放棄，然後收回五個電子，同時晶體結構保持穩定。”

至少，拉馬錢德蘭和穆的光譜圖像表明該材料的能量潛力有所增加。為了證實這一點，他們於 2023 年與 Lomeli 合作。 Lomeli 教務主任 Tom Devereux 是使用凝聚態物理學數值方法建模和解釋 X 射線光譜的先驅。

根據他對光譜的詳細建模，洛梅利最終證明，額外的兩個電子不是來自鐵原子，而是通過鐵來自氧。

“在提供自由電子方面，說鐵是英雄或氧是英雄都太簡單了，”洛梅利說。 “這種組織非常精美的材料中的原子表現為一個整體。”

鋼鐵的提升

在過去幾年中，鐵已取代鈷和鎳，成為全球電動汽車和固定存儲應用的鋰離子陰極的主要金屬。鐵比鈷和鎳便宜得多。此外，全球70%的鈷供應來自剛果民主共和國，而中國控制著剛果的大部分產量。據報導，兒童在這些礦井中工作的條件對所有礦工來說都是危險的，而且採礦導致了森林砍伐以及河流和土壤的污染。

由於這些問題，目前生產的鋰離子電池中有 40% 使用鋰、鐵和磷陰極。拉馬錢德蘭說，這種陰極“迅速成為電動汽車和並網固定電池中最受歡迎的電池化學物質”。

然而，這些正極的電壓並不高，而且用它們製成的電池也不是高電壓。汽車製造商和其他製造商一直致力於解決低電壓問題，以在不使用鎳和鈷的情況下取得商業成功。

“高壓鐵基陰極將避免以前在陰極材料中占主導地位的更高電壓和更昂貴金屬之間的權衡，”穆說。 “兩全其美。”

為了實現高電壓、可逆且穩定的鐵基陰極，Ramachandran 和 Mu 煞費苦心地從（正如 Gent 所建議的）鋰、鐵、銻和氧（或“LFSO”）合成了他們的材料。斯坦福可持續發展學院能源研究所和 SLAC 國家加速器實驗室的聯合項目 SLAC-斯坦福電池中心的初步測試表明，高壓陰極是穩定的。

抗彎強度

為了更詳細地研究 LFSO 的結構和操作，並將其與早期失敗的版本進行比較，研究小組在勞倫斯伯克利、橡樹嶺和阿貢國家實驗室使用 X 射線和中子束對其進行了檢查。

即使有了這些信息，拉馬錢德蘭和穆仍然無法確定究竟發生了什麼。他們的導師 William Chu 和 Devereux 都是 SLAC 工程與光子科學學院材料科學與工程系的教員，但 Chue 更多地從化學角度進行工作，而 Devereux 的研究重點是理論和計算材料科學。

最終，實驗結果和計算機模型的結合方法達成了一致：與以前的材料不同，以前的材料在鋰離子釋放並在充電過程中定向到陽極後捲曲和塌陷，由納米顆粒製成的材料稍微彎曲以容納空出的鋰空間，並在循環過程中保持完整。

“科學家們很少報導高壓鐵基材料，”Chue 說。 “我們對這種鐵的電子結構的詳細研究為超過三個電子的氧化提供了令人信服的證據。”

Chue 說，現在他們知道如何使鐵達到高氧化態並保持該狀態，剩下的核心團隊正在致力於解決實際的工程問題——調整顆粒形狀、材料成分和化學成分——以找到一種可在商業應用中發揮作用的組合。最重要的是在 LFSO 尋找銻的替代品。與鈷一樣，它是一種昂貴的礦物，供應鏈存在嚴重漏洞，但新興研究團隊考慮了幾種替代候選材料。