Nature:快速充电不是梦，铌钨氧化物为电池技术带来曙光

自然杂志最新消息，科学家们已经确定了一种可以用来开发更高功率电池的材料。来自剑桥大学的研究小组，使用了一种具有复杂晶体结构的新材料，发现锂离子通过它们的速率远远超过传统电极材料。这种新材料，或许将会产生一种充电速度更快的电池。

在典型的循环速率下，这种被称为铌钨氧化物的材料能量密度不会有所提高，然而，它们可以被用于快速充电的场合。此外，它们的化学行为和物理结构使科学家对开发超快速、安全的充电电池有了更深的理解。科学家指出，未来电池的解决方案可能来自非常规材料。这项研究的结果已经发表在《自然》杂志上。

现在，一些日常技术已经变得越来越快，更小，更便宜。但是智能手机在几分钟内完全充电依然没有可能性，电池技术已经阻碍了两大清洁技术的广泛使用，电动汽车和电网规模的太阳能存储都亟需更先进的电池技术。

“我们一直在寻找具有更高性能的电池材料，尤其是在快速充放电领域，”Kent Griffith博士说，他是剑桥化学系的博士后研究员，也是这篇论文的第一作者。

电池结构非常简单，由三个部分组成：负极、正极和电解质。在对电池充电时，锂离子从正极释放，并通过电解质和晶体结构移动到负极，然后它们被存储在负极中。这个过程的速度与电池的充电速度成正比。

在寻找创新电极材料的同时，科学家们通常试图使粒子变的更小。

“我们的想法是，如果锂离子移动的距离更短，它就会给你更高的性能，” Griffith说。但是用纳米颗粒制作一个实用的电池是很困难的：很多电解质不需要的化学反应都会产生，所以电池不会持续很长时间，而且制造成本很高。

纳米粒子很难制造，这就是为什么我们要寻找具有内在特性的材料，即使它们比微米粒子更大，也能够被使用。这就意味着，我们不必经历一个复杂的过程来制造它们，这无形中就降低了成本。纳米粒子在实际应用上也很有挑战性，因为它们往往是相当“蓬松”的，因此很难将它们紧密地结合在一起，这是电池体积能量密度的关键。Clare Grey教授这么说道。

本研究中使用的铌钨氧化物具有开放的、刚性结构，不妨碍锂的插入；与其它各种电极材料相比，它们也具有更大的粒径。Griffith提出，这些材料以前没有引起注意的原因是它们原子排列很复杂。现在，他建议深入研究这些材料的结构获得独特的传输特性。

“许多电池材料是基于相同的两个或三个晶体结构，但这些铌钨氧化物显得那么与众不同，” Griffith说。氧的“支柱”使氧化物保持开放，从而允许锂离子在三个维度上通过它们。氧的“支柱”，或剪切面，使这些材料比其他电池化合物更坚硬，因此，加上它们的开放结构意味着更多的锂离子可以穿过它们，并且速度会更快。”

Griffith所在的研究小组采用了一种称为脉冲场梯度（PFG）核磁共振（NMR）光谱的方法，来测量锂离子通过氧化物的运动。他们发现离子移动的速率比典型的电极材料高几个数量级。

在现有的锂离子电池中，大多数负极是由石墨制成的。尽管石墨具有较高的能量密度，但是当以较高的速率充电时，石墨倾向于形成细长的锂金属纤维，称为树突，这会导致电池短路并引发一些后果。

Grey说：“在快速充放电的应用中，安全性比其他任何场合的要求都要高。”这些材料，以及其他可能的材料，对于快速充电的应用来说肯定是值得一试的，我们需要一个更安全的石墨替代物。

除了具有很高的锂传输速率之外，铌钨氧化物也很容易生产。Griffith说：“许多纳米粒子结构需要多个步骤来合成，最终只能得到少量的材料，因此可扩展性是一个真正的问题。”我们现在研究的这些氧化物很容易制造，不需要额外的化学药品或溶剂。”

尽管铌钨氧化物具有特殊的锂传输速率，但是相比于某些电极材料，氧化物也导致了较低的电池电压。从另一个角度讲，工作电压对于安全是有利的，在快速循环期间，这些材料的实际（可用）能量密度与锂传输速率也密切相关。

虽然氧化物可能仅适用于特定的应用，但Grey指出，关键是不断寻找新材料和新的化学物质。“如果我们不继续寻找新的化合物，技术就会停滞不前。”她说。“这些有趣的材料使我们对如何设计更高速度的电极材料有了更好的了解。”

欧盟、科学技术设施理事会，工程和物理科学研究委员会对这项研究进行了部分资助。

文章来自azom网站，原文题目为Using Niobium Tungsten Oxides to Make Faster Charging and Safe Batteries，由材料科技在线汇总整理。