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 研究人員發(fā)現(xiàn)了一組能夠制造更高功率電池的材料。劍橋大學(xué)研究人員采用了一種具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的材料，并發(fā)現(xiàn)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(dāng)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(huán)速率下使用時不會產(chǎn)生更高的能量密度，但它們可用于快速充電應(yīng)用領(lǐng)域。此外，它們的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)行為使研究人員能夠深入了解如何構(gòu)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(guī)材料。該結(jié)果發(fā)表在《Nature》雜志上。

我們每天使用的許多技術(shù)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(nèi)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(zhàn)阻礙了廣泛采用電動汽車和太陽能電網(wǎng)規(guī)模存儲這兩種主要清潔技術(shù)。

劍橋大學(xué)化學(xué)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(dǎo)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(zhì)。當(dāng)電池充電時，鋰離子從正極中被釋放出來，通過晶體結(jié)構(gòu)和電解質(zhì)移動到負極，并被儲存在負極上。這個過程發(fā)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(xiàn)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(zhì)會產(chǎn)生大量不必要的化學(xué)反應(yīng)，所以電池的壽命不會太長，而且制造成本也很高。”

化學(xué)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(fù)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(yīng)用中也具有挑戰(zhàn)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(guān)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(jié)構(gòu)，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(fù)雜的原子排列有關(guān)。然而，他認為結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和混合金屬的組成正是材料表現(xiàn)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(yīng)用于電極材料的脈沖場梯度(PFG)核磁共振波譜(NMR)技術(shù)，研究人員測量了鋰離子在氧化物中的運動，發(fā)現(xiàn)它們的速度比典型的電極材料高幾個數(shù)量級。

目前大多數(shù)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(chǎn)生短路，使電池易燃。

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

盡管氧化物具有優(yōu)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(dāng)快速循環(huán)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(yīng)用，Grey說重要的是要不斷尋找新的化學(xué)物質(zhì)和新材料。她說：“如果你不繼續(xù)尋找新的化合物，該領(lǐng)域就會停滯不前。這些有趣的材料讓我們對如何設(shè)計高速率電極材料有了很好的了解。”