电池主要由三个部件组成: 正极, 负极和电解质. 当电池充电时, 锂离子从正电极中流出并通过晶体结构和电解质到达负极, 在那里它们被存储. 此过程发生得越快, 电池充电的速度就越快.
在寻找新电极材料时, 研究人员通常尝试使颗粒变得更小, 但制造含有纳米粒子的实用电池很困难: 电解液会产生更多不必要的化学反应, 因此电池的使用寿命不长, 而且制造成本也很高. 最新研究中使用的铌钨氧化物具有坚硬而开的放结构, 其不捕获插入的锂, 并且粒子的大小比许多其他电极材料更大.
研究第一作者, 剑桥大学化学系博士后研究员肯特·格里菲斯解释说: '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. 氧化物通过氧气 '支柱' 保持打开, 使锂离子能以三维方式穿过它们, 这意味着更多锂离子可穿过它们, 且速度更快. 测量结果也显示, 锂离子通过氧化物的速度, 以比在典型电极材料高几个数量级. '
除了高锂迁移率外, 铌钨氧化物也易于制造. 格里菲斯说: '许多纳米粒子结构需要多个步骤来合成, 但这些氧化物很容易制造, 不需要额外的化学品或溶剂. '
目前锂离子电池中的大多数负极都由石墨制成, 石墨具有高能量密度, 但当以高倍率充电时, 往往会形成被称为 '枝晶' 的细长锂金属纤维, 这会造成短路并导致电池着火, 甚至发生爆炸.
格里菲斯说: '在高倍率应用中, 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. '