新电极材料加速电池充电？

剑桥大学的研究人员一直在研究一类材料 – 铌钨氧化物 – 用作电池电极。两种特殊的氧化物具有复杂的晶体结构，研究人员报告说，“锂离子以远远超过典型电极材料的速率，这相当于更快速充电的电池。在典型的循环速率下使用时，它们不会导致更高的能量密度。这两种氧化物采用晶体剪切和青铜状结构，即使当铌氧化钨颗粒的尺寸为微米量级时，锂扩散也很快发生。与纳米颗粒相比，更大的尺寸可能更容易制造。“使用纳米粒子制作实用电池很困难：电解液会产生更多不必要的化学反应，因此电池寿命不长，加上制造成本太高，”化学和论文的第一作者，在大学新闻发布会上。

“纳米粒子制作起来可能很棘手，这就是为什么我们在寻找具有我们正在寻找的特性的材料，即使它们被用作相对较大的微米级粒子。这意味着你不必经历一个复杂的过程来制造它们，这样可以降低成本，“该论文的资深作者Clare Grey也来自化学系。“纳米颗粒在实际应用中也具有挑战性，因为它们往往非常’蓬松’，因此很难将它们紧密地包装在一起，这对电池的体积能量密度至关重要。”剑桥大学博士后研究员Kent Griffith说。

在当前工作中使用的铌钨氧化物具有刚性的开放结构。原子排列很复杂，但格里菲斯认为结构复杂性和混合金属成分是材料具有独特传输性能的原因。“许多电池材料都基于相同的两个或三个晶体结构，但这些铌钨氧化物根本不同，”格里菲斯说。氧化物通过氧气的“支柱”保持打开，这使得锂离子能够以三维方式穿过它们。“氧气柱或剪切平面使这些材料比其他电池化合物更加坚硬，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，而且速度更快。”

研究人员使用一种称为脉冲场梯度（PFG）核磁共振（NMR）光谱的技术，该技术不易应用于电池电极材料，研究人员测量了锂离子通过氧化物的运动，发现它们以几个数量级的速率移动比典型的电极材料高。目前锂离子电池中的大多数负极都是由石墨制成，具有高能量密度，但是当高速充电时，这会产生短路并导致电池起火并可能爆炸。格雷说：“在高利率的应用中，安全性比其他任何操作环境都要重要。” “对于需要更安全的石墨替代品的快速充电应用而言，这些材料，以及其他类似材料，绝对值得关注。”铌钨氧化物易于制造。“许多纳米粒子结构需要多个步骤来合成，而你最终只需要少量材料，因此可扩展性是一个真正的问题，”格里菲斯说。“但这些氧化物很容易制造，不需要额外的化学品或溶剂。”

尽管氧化物具有优异的锂传输速率，但它们确实导致比一些电极材料更低的电池电压。然而，工作电压有利于安全，并且高锂传输速率意味着当快速循环时，这些材料的实际（可用）能量密度仍然很高。虽然氧化物可能只适用于某些应用，但Gray说重要的是继续寻找新的化学品和新材料。“如果你不继续寻找新的化合物，菲尔兹就会停滞不前，”她说。“这些有趣的材料使我们能够很好地了解我们如何设计更高速率的电极材料。”