剑桥大学的研究人员们, 刚刚确定了一组可用于制造更高功率电池的新材料. 他们发现, 锂离子能够以远超典型电极材料的速度, 穿过铌钨氧化物材料形成的复杂微观结构, 这意味着它能够实现更快的充电速度. 简而言之, 这项发现或成为构建下一代锂离子电池的关键. 它们有望在几分钟内完成充电 (而不是几小时) , 且不会出现危险的过热现象.
研究配图-1: Nb
16W
5O
55和Nb
18W
16O
93的晶体结构/粒子形态
自20世纪90年代以来, 锂离子电池得到了持续而广泛的应用. 遗憾的是, 其能量密度的提升, 每年只有3~4%——远低于电动汽车和消费电子制造商们的期待.
更重要的是, 这些改进通常来自于包装材料的优化, 而不是电极本身. 这种策略几乎无法弥补电池技术的另一个固有缺点——充电速度慢.
为了提升充电速率, 就必须加快带电锂离子从正极到负极的流动速度. 此前科学家们一直试图通过在电极内部建立特殊的纳米机构来实现这一目标:
此举旨在减少锂离子行进的距离, 但吗你颗粒用起来既棘手又昂贵, 而且它们还会产生不必要的化学反应, 进而缩短了电池的使用寿命.
研究配图-2: 两种物质的电化学特性
在剑桥大学的最新发现中, 研究人员们采用了不同的方法:
其选择了具有刚性, 拥有开放式柱状结构的较大颗粒. 这一结构使得锂离子能够无阻碍的大量移动, 从而将其流通量提升了数个等级.
新电极材料也可以是更安全的替代品:
大多数锂离子电池中的负极, 是由石墨制成的. 在高速充电的时候, 尤其会形成枝晶 (dendrites) , 即锂纤维的微观结构.
枝晶会导致电池短路甚至起火, 但剑桥大学的新型电极材料并不会.
研究配图-9: 块状和青铜型三元铌钨氧化物的预期, 及与二元铌氧化物的电化学比较.
研究资深作者Clare Grey教授表示:
在快充应用中, 安全性是一个更需要被关注的地方. 这类有潜力的新材料绝对值得一看, 因为我们需要一个比石墨更安全的替代品.
此外, 纳米机构需要多个步骤太能制造, 导致其产量极低和可扩展性等问题.
相比之下, 铌钨氧化物制造起来更简单, 并且不需要额外的化学品或溶剂. 当然, 在投入实际应用前, 我们还有许多工作要完成.
