新型复合氧化物电极锂离子电池带来更快更高的充电速度

一项发表在Nature上的新研究发现，使用一种新型复合氧化物电极的锂离子电池可以具有更高的功率和更快的充电速度。

研究人员说，此研究可能会导致电池能够在几分钟内而不是几小时内储存大量能量，从而有助于加快电动汽车和可再生能源的网格存储等技术的采用。

最简单形式的电池由三个部件组成：称为阴极的正电极，称为阳极的负电极和连接两个电极的电解质。当锂离子电池放电时，锂离子从阳极流向阴极；当再充电时，锂离子从阴极流动到阳极。锂离子移动速度越快，电池充电速度越快，功率越大（即在给定时间内能够传递的能量越多）。

提高锂离子流速的最常用方法是制造纳米尺寸的电极颗粒，以缩短锂离子必须行进的距离。但是，这种方法存在许多挑战。纳米颗粒难以紧密地集聚在一起，这限制了它们每单位体积可储存的能量。与常规电极材料相比，它们还可能与电解质产生更多不必要的的化学反应，因此这种电池的续航时间不会很长。此外，纳米颗粒的制造也是复杂且昂贵的。

相反，该研究的资深作者、剑桥大学材料化学家Clare Grey和她的同事们研究铌钨氧化物。他们注意到这些材料具有刚性的、开放的晶体结构，由此他们推断即使使用相对较大的微米级氧化物颗粒代替纳米颗粒，锂离子也可以在其中快速流动。

研究人员分析了两种不同类型的铌钨氧化物阳极Nb16W5O 55和Nb18W16O93的性能。他们使用脉冲场梯度核磁共振（类似于MRI）来测量锂离子通过氧化物的运动。

该研究的第一作者、剑桥大学的材料化学家Kent Griffith说：“这项研究的大部分内容是全新的，因为这些原子结构并不常见，在任何领域都很少有对它们的研究。”

科学家发现锂离子在这些氧化物中的移动速度是典型阳极材料的数百倍。这表明它们可以带来更高功率和更快速充电的电池。

“我们最惊讶于这些微米级颗粒被测量到的扩散和倍率性能是如此之快，”Griffith说。“这些材料可以在几分钟的时间内充完电。”他提醒说，从这项研究出发到开发出商用电池，还需要做大量的工作。

研究人员还提醒说，铌钨氧化物可能会带来比传统类型锂离子电池功率更高的电池，同时，这些新电池也会有更低的电池电压。基本上，虽然能量可以快速地进出这些铌钨氧化物，但与传统的阳极材料相比，涉及的每单位时间能量将会更少。

较低的电池电压可能会增大电池的安全系数。例如，大多数现有的锂离子电池使用的是石墨阳极。石墨的电学性质导致电池电压更高，但在高速充电时也会形成细长的锂金属纤维，即树枝晶。这些树枝晶会引发短路，导致电池着火并可能爆炸。“因此，用作高速充电电池的可能需要是电压较低的电池，就像我们的电池一样，”Griffith说。

对这些新材料的一个潜在批评是铌和钨是重原子，这会导致电池变重。然而，Griffith指出，铌钨氧化物每单位体积可储存的锂离子数量是传统锂离子电池阳极的两倍或更多。因此，他表示，铌钨氧化物每单位重量可以储存的电荷量与传统锂离子电池材料的相当，同时有可能避开纳米颗粒制造的复杂性和成本。

科学家们正在努力寻找与铌钨氧化物阳极配合使用的最佳阴极和电解质材料。他们还指出，可能还有其他材料的结构和性质与铌钨氧化物很相似。“我们乐观地认为还有其他有前景的材料尚待发现”，Griffith说。