上图是电池阴极结构的示意图，其中红色的是锂原子，绿色的是氧原子，紫色的是锰原子，深蓝色的是铬原子，浅蓝色的是钒原子.图片来源：西北大学Wolverton研究小组

      美国西北大学的一个研究小组已经找到了一种稳定的容量创纪录的新型锂电池。该电池是基于锰锂氧化物作为阴极材料，它可以使得智能手机和电动汽车的重点间隔时间延长两倍以上。

      领导这项研究的美国西北大学麦克科马克工程学院材料科学与工程学教授Christopher Wolverton说：“这种新型的电极已经达到了现有报道的金属氧化物电极的最高容量。它是你现在手机和笔记本上使用电池容量的两倍，这种高容量标志着电动汽车锂离子电池的巨大进步。”

      锂离子的工作原理是锂离子在阳极和阴极间来回的穿梭。阴极是一种包含了锂离子，过渡金属和氧原子的混合物。过渡金属，类似钴，当锂离子在阴极和阳极来回移动时能够有效的存储和释放电能。阴极容量受限于可以参与反应的过渡金属中的电子数。

      2016年法国的一个研究小组首次报告了一种大容量的锂-锰-氧化物化合物。通过用更便宜的锰取代传统的钴，研究小组开发出了一种更便宜的电极，其容量是原来的两倍多。但这并非意味着这种电池没有应用的挑战。电池性能在前两个周期内下降的十分之快，以至于研究人员并没有认为它在商业中是可以应用的。他们也没有完全理解大容量以及容量退化的化学原理。

      在合成了一幅细节完整的、原子级别的阴极照片后，Wolverton的团队发现了这种材料的高容量背后的原理：它迫使氧气参与到了反应过程中。通过使用除了过渡金属之外的氧气储存和释放电能，使得电池有了更高的能量储存和存储更多锂的能力。
接下来，西北大学的团队将研究重心转移到使电池性能稳定化以避免电池性能出现快速的衰退。

      该论文的第一作者、Wolverton实验室的一名博士生姚振鹏说：“在拥有了电池充电原理的知识后，我们可以使用高通量计算来扫描元素周期表中的元素，寻找新的方法来利用其他元素来提高电池的性能。”

      通过计算精确地我们选取了两个元素：铬和钒。该团队预测，将这两种元素与锂-锰氧化物混合在一起，将产生稳定的化合物，从而维持阴极前所未有的高容量。接下来，Wolverton和他的合作者将在实验室里对这些理论化合物进行实验测试。

      这项研究是作为电化学能源科学中心的一部分得到支持的，该能源前沿研究中心是由美国能源部、科学技术局资助的，资助编号为DE-AC02-06CH11357。姚明目前是哈佛大学的博士后研究员，同时也是麻省理工学院博士后研究员，他是Wolverton实验室的组成成员，同时也是该论文的共同作者。