锂电池广泛应用于手机、电动车和大型电力储存系统等领域，但它所需要的锂、钴和镍等金属正日益减少。因此，提高其容量、效率、可持续性就成为研究目标。近日，日本一所大学在锂电池加入一些材料，使其变得更有效率和持续性。
锂电池的阴极材料通常有钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）、镍酸锂（LiNiO2）及磷酸铁锂（LiFePO4）。不过含有钴、镍的锂电池价格不断提高，因为全球大量使用锂电池导致这些金属开始出现短缺现象。为此，不少人将目标转向地球上最丰富的材料铁（Fe）相关的锂电池上，希望提升其能效。
科学家在研究与铁相关的锂电池产品时发现，磷酸铁锂材料做的锂电池具有高安全、低成本、低毒性、循环寿命长的特性，但能量密度只有170mAh/g左右，因此他们寻求其它铁基阴极材料，最终做出以氧化铁锂（Li5FeO4）为阴极材料的锂电池，表现出300mAh/g的能量密度，且电压与磷酸铁锂差不多。
不过科学家发现，氧化铁锂在充电循环过程中会产生氧气，使该款电池无法真正进入化学的可逆反应，这代表它无法进行正常的充放电循环。
近日，拥有近150年历史的日本北海道大学（Hokkaido University）、东北大学和名古屋工业大学的研究人员，共同研制出新款的可充电的锂电池，只需要在阴极（正极）材料氧化铁锂添加一些常见元素，即可提高它的电能量密度和充电循环能力。这项成果于4月22日表在《美国化学学会材料快报https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmaterialslett.4c00268》上。
北海道大学化学系副教授小林弘明（Hiroaki Kobayashi）对该校的新闻室表示，“我们现在发现，透过将少量丰富的元素（例如铝、硅、磷和硫）掺杂到阴极的晶体结构中，可以显着提高循环性能。”
该团队使用铝（Al）、硅（Si）、锗（Ge）、磷（P）和硫（S）作为掺杂剂，让它们与部分的氧化铁锂的氧分子形成“共价键”，而共价键牢牢的抓住氧原子，使其不会在反应时跑出来阻碍电池进行充放电反应。
“共价键”是原子与原子之间共享电子达到饱和时，形成的一种十分稳定且坚固的化学键，减少了原子与原子之间位置转换，因此它不易受到外来干扰和破坏。
研究结果显示，氧化铁锂电极掺杂磷元素后，其首次放电容量接近365mAh/g，但是经过数次充放电循环后，其电容量出现部分下降；若掺杂硅元素进去，会有近90%的电容量保持率，但电池的氧化还原（可逆性）较低；掺进锗金属或磷后，阴极的性能被大幅增强，且充放电后的电池容量保持率比其它元素高出许多。
车子常用的磷酸铁锂电池，在进行串联和并联。（Yo-Co-Man/维基共享资源）
实验人员还观察到，氧化铁锂在掺入这些元素后，其能量容量、稳定性及充电和放电循环皆有提升，电池容量保持率从50%增加到90%左右。
研究人员总结道，他们仅用地球上铁、铝、硅、磷和硫等丰富元素，就可以实现让可充电的锂电池提高其能量，有望让锂电池变成具有高能量和低成本的电池。
他们希望，继续研发新的电池技术，为电池的进步做出重大贡献；而下一阶段的研究包括，增加将这些技术扩展到商业化上的可能性。
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