鋰電池廣泛應用於手機、電動車和大型電力儲存系統等領域，但它所需要的鋰、鈷和鎳等金屬正日益減少。因此，提高其容量、效率、可持續性就成為研究目標。近日，日本一所大學在鋰電池加入一些材料，使其變得更有效率和持續性。
鋰電池的陰極材料通常有鈷酸鋰（LiCoO2）、錳酸鋰（LiMn2O4）、鎳酸鋰（LiNiO2）及磷酸鐵鋰（LiFePO4）。不過含有鈷、鎳的鋰電池價格不斷提高，因為全球大量使用鋰電池導致這些金屬開始出現短缺現象。為此，不少人將目標轉向地球上最豐富的材料鐵（Fe）相關的鋰電池上，希望提升其能效。
科學家在研究與鐵相關的鋰電池產品時發現，磷酸鐵鋰材料做的鋰電池具有高安全、低成本、低毒性、循環壽命長的特性，但能量密度只有170mAh/g左右，因此他們尋求其它鐵基陰極材料，最終做出以氧化鐵鋰（Li5FeO4）為陰極材料的鋰電池，表現出300mAh/g的能量密度，且電壓與磷酸鐵鋰差不多。
不過科學家發現，氧化鐵鋰在充電循環過程中會產生氧氣，使該款電池無法真正進入化學的可逆反應，這代表它無法進行正常的充放電循環。
近日，擁有近150年歷史的日本北海道大學（Hokkaido University）、東北大學和名古屋工業大學的研究人員，共同研製出新款的可充電的鋰電池，只需要在陰極（正極）材料氧化鐵鋰添加一些常見元素，即可提高它的電能量密度和充電循環能力。這項成果於4月22日發表在《美國化學學會材料快報》（American Chemical Societyaterials Letters）上。
新工藝新突破
北海道大學化學系副教授小林弘明（Hiroaki Kobayashi）對該校的新聞室表示：「我們現在發現，透過將少量豐富的元素（例如鋁、矽、磷和硫）摻雜到陰極的晶體結構中，可以顯著提高循環性能。」
該團隊使用鋁（Al）、矽（Si）、鍺（Ge）、磷（P）和硫（S）作為摻雜劑，讓它們與部份的氧化鐵鋰的氧分子形成「共價鍵」，而共價鍵牢牢的抓住氧原子，使其不會在反應時跑出來阻礙電池進行充放電反應。
「共價鍵」是原子與原子之間共享電子達到飽和時，形成的一種十分穩定且堅固的化學鍵，減少了原子與原子之間位置轉換，因此它不易受到外來干擾和破壞。研究結果顯示，氧化鐵鋰電極摻雜磷元素後，其首次放電容量接近365mAh/g，但是經過數次充放電循環後，其電容量出現部份下降；若摻雜矽元素進去，會有近90%的電容量保持率，但電池的氧化還原（可逆性）較低；摻進鍺金屬或磷後，陰極的性能被大幅增強，且充放電後的電池容量保持率比其它元素高出許多。
實驗人員還觀察到，氧化鐵鋰在摻入這些元素後，其能量容量、穩定性及充電和放電循環皆有提升，電池容量保持率從50%增加到90%左右。
研究人員總結道，他們僅用地球上鐵、鋁、矽、磷和硫等豐富元素，就可以實現讓可充電的鋰電池提高其能量，有望讓鋰電池變成具有高能量和低成本的電池。他們希望，繼續研發新的電池技術，為電池的進步做出重大貢獻；而下一階段的研究包括，增加將這些技術擴展到商業化上的可能性。◇
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