劍橋大學(xué)的研究人員們，剛剛確定了一組可用于制造更高功率電池的新材料。他們發(fā)現(xiàn)，鋰離子能夠以遠(yuǎn)超典型電極材料的速度，穿過(guò)鈮鎢氧化物材料形成的復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)，這意味著它能夠?qū)崿F(xiàn)更快的充電速度。簡(jiǎn)而言之，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)或成為構(gòu)建下一代鋰離子電池的關(guān)鍵。它們有望在幾分鐘內(nèi)完成充電（而不是幾小時(shí)），且不會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)的過(guò)熱現(xiàn)象。

研究配圖-1：Nb16W5O55和Nb18W16O93的晶體結(jié)構(gòu)/粒子形態(tài)

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，鋰離子電池得到了持續(xù)而廣泛的應(yīng)用。遺憾的是，其能量密度的提升，每年只有3~4%——遠(yuǎn)低于電動(dòng)汽車和消費(fèi)電子制造商們的期待。

更重要的是，這些改進(jìn)通常來(lái)自于包裝材料的優(yōu)化，而不是電極本身。這種策略幾乎無(wú)法彌補(bǔ)電池技術(shù)的另一個(gè)固有缺點(diǎn)——充電速度慢。

為了提升充電速率，就必須加快帶電鋰離子從正極到負(fù)極的流動(dòng)速度。此前科學(xué)家們一直試圖通過(guò)在電極內(nèi)部建立特殊的納米機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)：

此舉旨在減少鋰離子行進(jìn)的距離，但嗎你顆粒用起來(lái)既棘手又昂貴，而且它們還會(huì)產(chǎn)生不必要的化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而縮短了電池的使用壽命。

研究配圖-2：兩種物質(zhì)的電化學(xué)特性

在劍橋大學(xué)的最新發(fā)現(xiàn)中，研究人員們采用了不同的方法：

其選擇了具有剛性、擁有開(kāi)放式柱狀結(jié)構(gòu)的較大顆粒。這一結(jié)構(gòu)使得鋰離子能夠無(wú)阻礙的大量移動(dòng)，從而將其流通量提升了數(shù)個(gè)等級(jí)。

新電極材料也可以是更安全的替代品：

大多數(shù)鋰離子電池中的負(fù)極，是由石墨制成的。在高速充電的時(shí)候，尤其會(huì)形成枝晶（dendrites），即鋰?yán)w維的微觀結(jié)構(gòu)。

枝晶會(huì)導(dǎo)致電池短路甚至起火，但劍橋大學(xué)的新型電極材料并不會(huì)。

研究配圖-9：塊狀和青銅型三元鈮鎢氧化物的預(yù)期，及與二元鈮氧化物的電化學(xué)比較。

研究資深作者ClareGrey教授表示：

在快充應(yīng)用中，安全性是一個(gè)更需要被關(guān)注的地方。這類有潛力的新材料絕對(duì)值得一看，因?yàn)槲覀冃枰粋€(gè)比石墨更安全的替代品。

此外，納米機(jī)構(gòu)需要多個(gè)步驟太能制造，導(dǎo)致其產(chǎn)量極低和可擴(kuò)展性等問(wèn)題。

相比之下，鈮鎢氧化物制造起來(lái)更簡(jiǎn)單，并且不需要額外的化學(xué)品或溶劑。當(dāng)然，在投入實(shí)際應(yīng)用前，我們還有許多工作要完成。

有關(guān)這項(xiàng)研究的詳情，已經(jīng)發(fā)表在近日出版的《自然》（Nature）雜志上。