一項發(fā)表在Nature上的新研究發(fā)現(xiàn)，使用一種新型復(fù)合氧化物電極的鋰離子電池可以具有更高的功率和更快的充電速度。

研究人員說，此研究可能會導(dǎo)致電池能夠在幾分鐘內(nèi)而不是幾小時內(nèi)儲存大量能量，從而有助于加快電動汽車和可再生能源的網(wǎng)格存儲等技術(shù)的采用。

最簡單形式的電池由三個部件組成：稱為陰極的正電極，稱為陽極的負電極和連接兩個電極的電解質(zhì)。當(dāng)鋰離子電池放電時，鋰離子從陽極流向陰極；當(dāng)再充電時，鋰離子從陰極流動到陽極。鋰離子移動速度越快，電池充電速度越快，功率越大（即在給定時間內(nèi)能夠傳遞的能量越多）。

提高鋰離子流速的最常用方法是制造納米尺寸的電極顆粒，以縮短鋰離子必須行進的距離。但是，這種方法存在許多挑戰(zhàn)。納米顆粒難以緊密地集聚在一起，這限制了它們每單位體積可儲存的能量。與常規(guī)電極材料相比，它們還可能與電解質(zhì)產(chǎn)生更多不必要的的化學(xué)反應(yīng)，因此這種電池的續(xù)航時間不會很長。此外，納米顆粒的制造也是復(fù)雜且昂貴的。

相反，該研究的資深作者、劍橋大學(xué)材料化學(xué)家ClareGrey和她的同事們研究鈮鎢氧化物。他們注意到這些材料具有剛性的、開放的晶體結(jié)構(gòu)，由此他們推斷即使使用相對較大的微米級氧化物顆粒代替納米顆粒，鋰離子也可以在其中快速流動。

研究人員分析了兩種不同類型的鈮鎢氧化物陽極Nb16W5O55和Nb18W16O93的性能。他們使用脈沖場梯度核磁共振（類似于MRI）來測量鋰離子通過氧化物的運動。

該研究的第一作者、劍橋大學(xué)的材料化學(xué)家KentGriffith說：“這項研究的大部分內(nèi)容是全新的，因為這些原子結(jié)構(gòu)并不常見，在任何領(lǐng)域都很少有對它們的研究。”

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鋰離子在這些氧化物中的移動速度是典型陽極材料的數(shù)百倍。這表明它們可以帶來更高功率和更快速充電的電池。

“我們最驚訝于這些微米級顆粒被測量到的擴散和倍率性能是如此之快，”Griffith說。“這些材料可以在幾分鐘的時間內(nèi)充完電。”他提醒說，從這項研究出發(fā)到開發(fā)出商用電池，還需要做大量的工作。

研究人員還提醒說，鈮鎢氧化物可能會帶來比傳統(tǒng)類型鋰離子電池功率更高的電池，同時，這些新電池也會有更低的電池電壓。基本上，雖然能量可以快速地進出這些鈮鎢氧化物，但與傳統(tǒng)的陽極材料相比，涉及的每單位時間能量將會更少。

較低的電池電壓可能會增大電池的安全系數(shù)。例如，大多數(shù)現(xiàn)有的鋰離子電池使用的是石墨陽極。石墨的電學(xué)性質(zhì)導(dǎo)致電池電壓更高，但在高速充電時也會形成細長的鋰金屬纖維，即樹枝晶。這些樹枝晶會引發(fā)短路，導(dǎo)致電池著火并可能爆炸。“因此，用作高速充電電池的可能需要是電壓較低的電池，就像我們的電池一樣，”Griffith說。

對這些新材料的一個潛在批評是鈮和鎢是重原子，這會導(dǎo)致電池變重。然而，Griffith指出，鈮鎢氧化物每單位體積可儲存的鋰離子數(shù)量是傳統(tǒng)鋰離子電池陽極的兩倍或更多。因此，他表示，鈮鎢氧化物每單位重量可以儲存的電荷量與傳統(tǒng)鋰離子電池材料的相當(dāng)，同時有可能避開納米顆粒制造的復(fù)雜性和成本。

科學(xué)家們正在努力尋找與鈮鎢氧化物陽極配合使用的最佳陰極和電解質(zhì)材料。他們還指出，可能還有其他材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與鈮鎢氧化物很相似。“我們樂觀地認(rèn)為還有其他有前景的材料尚待發(fā)現(xiàn)”，Griffith說。