新型復(fù)合氧化物電極鋰離子電池帶來更快更高的充電速度

一項(xiàng)發(fā)表在Nature上的新研究發(fā)現(xiàn)，使用一種新型復(fù)合氧化物電極的鋰離子電池可以具有更高的功率和更快的充電速度。

研究人員說，此研究可能會導(dǎo)致電池能夠在幾分鐘內(nèi)而不是幾小時(shí)內(nèi)儲存大量能量，從而有助于加快電動汽車和可再生能源的網(wǎng)格存儲等技術(shù)的采用。

最簡單形式的電池由三個(gè)部件組成：稱為陰極的正電極，稱為陽極的負(fù)電極和連接兩個(gè)電極的電解質(zhì)。當(dāng)鋰離子電池放電時(shí)，鋰離子從陽極流向陰極；當(dāng)再充電時(shí)，鋰離子從陰極流動到陽極。鋰離子移動速度越快，電池充電速度越快，功率越大（即在給定時(shí)間內(nèi)能夠傳遞的能量越多）。

提高鋰離子流速的最常用方法是制造納米尺寸的電極顆粒，以縮短鋰離子必須行進(jìn)的距離。但是，這種方法存在許多挑戰(zhàn)。納米顆粒難以緊密地集聚在一起，這限制了它們每單位體積可儲存的能量。與常規(guī)電極材料相比，它們還可能與電解質(zhì)產(chǎn)生更多不必要的的化學(xué)反應(yīng)，因此這種電池的續(xù)航時(shí)間不會很長。此外，納米顆粒的制造也是復(fù)雜且昂貴的。

相反，該研究的資深作者、劍橋大學(xué)材料化學(xué)家ClareGrey和她的同事們研究鈮鎢氧化物。他們注意到這些材料具有剛性的、開放的晶體結(jié)構(gòu)，由此他們推斷即使使用相對較大的微米級氧化物顆粒代替納米顆粒，鋰離子也可以在其中快速流動。

研究人員分析了兩種不同類型的鈮鎢氧化物陽極Nb16W5O55和Nb18W16O93的性能。他們使用脈沖場梯度核磁共振（類似于MRI）來測量鋰離子通過氧化物的運(yùn)動。

該研究的第一作者、劍橋大學(xué)的材料化學(xué)家KentGriffith說：“這項(xiàng)研究的大部分內(nèi)容是全新的，因?yàn)檫@些原子結(jié)構(gòu)并不常見，在任何領(lǐng)域都很少有對它們的研究?！?/p>

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鋰離子在這些氧化物中的移動速度是典型陽極材料的數(shù)百倍。這表明它們可以帶來更高功率和更快速充電的電池。

“我們最驚訝于這些微米級顆粒被測量到的擴(kuò)散和倍率性能是如此之快，”Griffith說。“這些材料可以在幾分鐘的時(shí)間內(nèi)充完電?！彼嵝颜f，從這項(xiàng)研究出發(fā)到開發(fā)出商用電池，還需要做大量的工作。

研究人員還提醒說，鈮鎢氧化物可能會帶來比傳統(tǒng)類型鋰離子電池功率更高的電池，同時(shí)，這些新電池也會有更低的電池電壓。基本上，雖然能量可以快速地進(jìn)出這些鈮鎢氧化物，但與傳統(tǒng)的陽極材料相比，涉及的每單位時(shí)間能量將會更少。

較低的電池電壓可能會增大電池的安全系數(shù)。例如，大多數(shù)現(xiàn)有的鋰離子電池使用的是石墨陽極。石墨的電學(xué)性質(zhì)導(dǎo)致電池電壓更高，但在高速充電時(shí)也會形成細(xì)長的鋰金屬纖維，即樹枝晶。這些樹枝晶會引發(fā)短路，導(dǎo)致電池著火并可能爆炸。“因此，用作高速充電電池的可能需要是電壓較低的電池，就像我們的電池一樣，”Griffith說。

對這些新材料的一個(gè)潛在批評是鈮和鎢是重原子，這會導(dǎo)致電池變重。然而，Griffith指出，鈮鎢氧化物每單位體積可儲存的鋰離子數(shù)量是傳統(tǒng)鋰離子電池陽極的兩倍或更多。因此，他表示，鈮鎢氧化物每單位重量可以儲存的電荷量與傳統(tǒng)鋰離子電池材料的相當(dāng)，同時(shí)有可能避開納米顆粒制造的復(fù)雜性和成本。

科學(xué)家們正在努力尋找與鈮鎢氧化物陽極配合使用的最佳陰極和電解質(zhì)材料。他們還指出，可能還有其他材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與鈮鎢氧化物很相似?！拔覀儤酚^地認(rèn)為還有其他有前景的材料尚待發(fā)現(xiàn)”，Griffith說。