劍橋大學的研究人員們, 剛剛確定了一組可用於製造更高功率電池的新材料. 他們發現, 鋰離子能夠以遠超典型電極材料的速度, 穿過鈮鎢氧化物材料形成的複雜微觀結構, 這意味著它能夠實現更快的充電速度. 簡而言之, 這項發現或成為構建下一代鋰離子電池的關鍵. 它們有望在幾分鐘內完成充電 (而不是幾小時) , 且不會出現危險的過熱現象.
研究配圖-1: Nb
16W
5O
55和Nb
18W
16O
93的晶體結構/粒子形態
自20世紀90年代以來, 鋰離子電池得到了持續而廣泛的應用. 遺憾的是, 其能量密度的提升, 每年只有3~4%——遠低於電動汽車和消費電子製造商們的期待.
更重要的是, 這些改進通常來自於包裝材料的優化, 而不是電極本身. 這種策略幾乎無法彌補電池技術的另一個固有缺點——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極的流動速度. 此前科學家們一直試圖通過在電極內部建立特殊的納米機構來實現這一目標:
此舉旨在減少鋰離子行進的距離, 但嗎你顆粒用起來既棘手又昂貴, 而且它們還會產生不必要的化學反應, 進而縮短了電池的使用壽命.
研究配圖-2: 兩種物質的電化學特性
在劍橋大學的最新發現中, 研究人員們採用了不同的方法:
其選擇了具有剛性, 擁有開放式柱狀結構的較大顆粒. 這一結構使得鋰離子能夠無阻礙的大量移動, 從而將其流通量提升了數個等級.
新電極材料也可以是更安全的替代品:
大多數鋰離子電池中的負極, 是由石墨製成的. 在高速充電的時候, 尤其會形成枝晶 (dendrites) , 即鋰纖維的微觀結構.
枝晶會導致電池短路甚至起火, 但劍橋大學的新型電極材料並不會.
研究配圖-9: 塊狀和青銅型三元鈮鎢氧化物的預期, 及與二元鈮氧化物的電化學比較.
研究資深作者Clare Grey教授表示:
在快充應用中, 安全性是一個更需要被關注的地方. 這類有潛力的新材料絕對值得一看, 因為我們需要一個比石墨更安全的替代品.
此外, 納米機構需要多個步驟太能製造, 導致其產量極低和可擴展性等問題.
相比之下, 鈮鎢氧化物製造起來更簡單, 並且不需要額外的化學品或溶劑. 當然, 在投入實際應用前, 我們還有許多工作要完成.
