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 研究人員發現了一組能夠制造更高功率電池的材料。劍橋大學研究人員采用了一種具有復雜晶體結構的材料，并發現鋰離子通過這種材料的速度遠遠超過了通過典型電極材料的速度，這相當于一個快速充電電池。

雖然這些被稱為鈮鎢氧化物的材料在典型循環速率下使用時不會產生更高的能量密度，但它們可用于快速充電應用領域。此外，它們的物理結構和化學行為使研究人員能夠深入了解如何構建安全、超快速充電電池，并暗示下一代電池的解決方案可能來自非常規材料。該結果發表在《Nature》雜志上。

我們每天使用的許多技術除了電池之外每年都在變得更小，更快，更便宜。除了能在幾分鐘內完全充電的智能手機的可能性之外，制造更好的電池所帶來的挑戰阻礙了廣泛采用電動汽車和太陽能電網規模存儲這兩種主要清潔技術。

劍橋大學化學系博士后研究員也是該論文第一作者Kent Griffith說：“我們一直在尋找具有高速電池性能的材料，這將導致更快的充電速度，并且還可以提供高功率輸出。”

在最簡單的電池形式中，電池由三個部分組成：一個正極、一個負極和一個電解質。當電池充電時，鋰離子從正極中被釋放出來，通過晶體結構和電解質移動到負極，并被儲存在負極上。這個過程發生得越快，電池充電的速度就越快。

在尋找新電極材料的過程中，研究人員通常會嘗試采用更小的粒子。Griffith說：“我們的想法是，如果你讓鋰離子移動的距離縮短，它會表現出更高的速率性能。但要用納米顆粒制造出實用的電池是很困難的：電解質會產生大量不必要的化學反應，所以電池的壽命不會太長，而且制造成本也很高。”

化學系教授和該論文的通訊作者Clare Grey說：“納米粒子的制備可能很棘手，這就是為什么我們在尋找那些即使是微米級的粒子，但其自身具有我們所需要的特性的材料。這意味著不必去通過一個復雜的過程來制備它們，這樣可以降低成本。納米顆粒在實際應用中也具有挑戰性，因為它們往往非常'蓬松'，因此很難將它們緊密地包在一起，這點對電池的體積能量密度是至關重要的。”

在目前的工作中使用的鈮鎢氧化物具有不捕捉鋰的剛性的開放結構，并且比其他許多電極材料具有更大的顆粒尺寸。Griffith推測這些材料以前沒有受到重視的原因與它們復雜的原子排列有關。然而，他認為結構的復雜性和混合金屬的組成正是材料表現出獨特的運輸特性的原因。

Griffith說：“許多電池材料都是基于兩三個相同的晶體結構，但是這些鈮鎢氧化物是完全不同的。”該氧化物被氧“支柱”隔開，使鋰離子在三維空間中移動。他說“氧柱或剪切面使這些材料比其他電池化合物更堅硬，因此，加上它們的開放結構意味著更多的鋰離子可以通過它們，而且速度更快。”

采用不易應用于電極材料的脈沖場梯度(PFG)核磁共振波譜(NMR)技術，研究人員測量了鋰離子在氧化物中的運動，發現它們的速度比典型的電極材料高幾個數量級。

目前大多數鋰離子電池的負極都是由具有很高能量密度的石墨制成的，但在高速充電時，往往會形成枝晶的鋰金屬纖維，這種纖維會產生短路，使電池易燃。

Grey說：“在高速率應用中，安全性比在任何操作環境下都更重要。在需要更安全的石墨替代品的快速充電應用中，尋找這些材料及其他可能性類似的材料絕對值得關注。”

除了鋰的高遷移率外，鈮鎢氧化物也易于制備。Griffith說：“許多納米粒子結構需要多個步驟來合成，而最終只需要使用一點，因此可擴展性是一個真正的問題。但這些氧化物很容易制備，不需要額外的化學品或溶劑。”

盡管氧化物具有優異的鋰傳輸速率，但它們確實比一些電極材料具有更低的電池電壓。然而，一定的工作電壓有利于安全工作，并且高鋰傳輸速率意味著當快速循環時，這些材料的實際（可用）能量密度仍然很高。

雖然這些氧化物可能只適用于某些特定的應用，Grey說重要的是要不斷尋找新的化學物質和新材料。她說：“如果你不繼續尋找新的化合物，該領域就會停滯不前。這些有趣的材料讓我們對如何設計高速率電極材料有了很好的了解。”