鈮作為電池陽(yáng)極的金屬有何特別之處

不起眼的鈮（Nb）可增強(qiáng)電極化學(xué)性能，具備增加電池容量和在極端溫度下進(jìn)行快速充電的潛在優(yōu)勢(shì)。

目前研究證明，過渡金屬鈮（Nb）可以改善鈦酸鋰（LTO）陽(yáng)極的性能。LTO陽(yáng)極是多得眼花繚亂的鋰離子電池電極化學(xué)形式中的一種，也是產(chǎn)量第二高的陽(yáng)極，僅次于石墨陽(yáng)極。在鋰電池的充電過程中，鋰離子離開正向陰極，穿過電池的電解質(zhì)，占據(jù)陽(yáng)極中能量更高的位置。而放電過程正好相反，電子受到驅(qū)動(dòng)，通過外部電路為負(fù)載供電。

最理想的狀態(tài)下，陽(yáng)極的表面積要足夠大才能嵌入大量鋰離子，提高儲(chǔ)能容量。其次，陽(yáng)極要采用開放式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)幾乎不會(huì)對(duì)離子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻力，從而使電池在不過度發(fā)熱的情況下進(jìn)行快速充放電。筆記本電腦的電池經(jīng)常發(fā)熱就這種“阻力”存在造成的。電池的充放電就像客機(jī)的載客和卸客。將整個(gè)客機(jī)塞滿座位的確可以實(shí)現(xiàn)最大容量，但是這樣“阻力”（坐到你的座位的難度）就會(huì)非常大。因此，通過犧牲部分座位的方式提供一條以上的通道，可以加快乘客移動(dòng)的速度。

碳在用作鋰離子電池陽(yáng)極時(shí)，可以提供巨大的表面積，但是隨著鋰離子的進(jìn)出，其容量會(huì)相應(yīng)增加或減少，從而產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)變，使碳顆粒隨時(shí)間推移而分離，并有可能導(dǎo)致電池自放電。此外，碳陽(yáng)極還可能會(huì)發(fā)生“鋰化”反應(yīng)，即金屬鋰的沉積。這種反應(yīng)的一個(gè)后果是導(dǎo)致枝晶生長(zhǎng)（就像鍍鋅表面有時(shí)候會(huì)長(zhǎng)出的“晶須”）。生長(zhǎng)的枝晶會(huì)穿透分隔陽(yáng)極和陰極的隔膜，導(dǎo)致電池自放電和熱失控，從而使電池的安全殼破裂，并導(dǎo)致有機(jī)電解質(zhì)燃燒。

這些專業(yè)知識(shí)非常復(fù)雜，非專業(yè)人士幾乎很難有興趣了解。然而，為了提高 “點(diǎn)擊量”，大量企業(yè)和大學(xué)實(shí)驗(yàn)室不斷在科技網(wǎng)站上報(bào)告“突破性”的研究成果。這些宣傳方式讓人以為期待已久的“超級(jí)電池”馬上就能上市了。但當(dāng)你仔細(xì)閱讀這些報(bào)告時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)大多數(shù)是一些小改進(jìn)，比如發(fā)現(xiàn)了一種用于電解質(zhì)的新型阻燃劑，或者發(fā)現(xiàn)了使用細(xì)碎石墨增強(qiáng)電極導(dǎo)電性的方法。雖然漸進(jìn)性的改進(jìn)也很重要，但革命性的新技術(shù)幾乎沒有。

不同類型的權(quán)衡

然而，還是有一些稱得上“圣杯（holy grails）”的突破性電池技術(shù)，有望帶來(lái)能量密度的變革。比如IBM花費(fèi)三年時(shí)間研究的鋰空氣電池，它的理論能量密度是當(dāng)今市場(chǎng)上最佳電池的十倍。又或者是納米硅陽(yáng)極，雖然它理論上的能量密度潛能還有待實(shí)現(xiàn)。然而我們還是期待著某個(gè)實(shí)驗(yàn)室工作的發(fā)明家（就像《米老鼠和唐老鴨》中的山雀發(fā)明家吉羅）會(huì)帶來(lái)神奇的技術(shù)。 有人用“輪子”來(lái)描述鋰離子電池的特性，用輪子的每根“輻條”的長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)一種性能：成本、安全、壽命、比能量?jī)?chǔ)能以及充放電速度等。因?yàn)樯形窗l(fā)現(xiàn)性能全面的電化學(xué)方案，所以電池行業(yè)目前采用多種方案，分別針對(duì)不同應(yīng)用。直到最近，特斯拉還在專注于開發(fā)具有高比能的鋰鎳鈷鋁氧化物（NCA）陰極。如今，特斯拉與大眾、RIVIAN和福特一起，轉(zhuǎn)而關(guān)注大電流磷酸鐵鋰（LFP）陰極。LFP電池具有較低的比能量，且熱穩(wěn)定性較好，一直受到電動(dòng)機(jī)械制造商以及中國(guó)的電池及汽車制造商比亞迪的青睞。另一種策略是使用混合電池，即將一種高比能電池與另一種大電流電池結(jié)合使用，并用前者為后者充電，從而使電池這個(gè)“輪子”更圓、更全面。 鈦酸鋰（LTO）等陽(yáng)極具有開放式尖晶石化學(xué)結(jié)構(gòu)，可允許高電流快速充電，而且具有良好的安全性能和出色的循環(huán)壽命（可循環(huán)數(shù)千次，而非數(shù)百次）。但是，LTO陽(yáng)極的儲(chǔ)能容量遠(yuǎn)不及相機(jī)、筆記本電腦、手機(jī)或電動(dòng)汽車應(yīng)用常用的電池。LTO電池的以上特性相當(dāng)適合在城市內(nèi)重復(fù)路線的進(jìn)行短途移動(dòng)的電動(dòng)公交車。高電流充放電和極長(zhǎng)的循環(huán)壽命等特性使得LTO電池只需在公交路線的任意一端的終點(diǎn)站進(jìn)行6分鐘的充電，就可以提供足夠的電力和續(xù)航時(shí)間。

保持“適當(dāng)”熱情

那么，鈮電池又如何呢？自2008年以來(lái)，日本東芝公司一直致力于營(yíng)銷其鈦酸鋰（LTO）電池。與此同時(shí)，對(duì)開放式結(jié)構(gòu)陽(yáng)極的研究在許多地區(qū)仍在繼續(xù)。研究發(fā)現(xiàn)，鈦鈮氧化物（NTO）結(jié)構(gòu)的理論容量（mAh/cm3）是LTO的三倍，因此NTO成為了LTO在電動(dòng)汽車市場(chǎng)潛在的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。據(jù)稱，NTO電池在經(jīng)過5000次充放電循環(huán)后，容量仍能保持在初始容量的90%，而且，在低至14華氏度（-10攝氏度）的溫度下，仍能保持與LTO相同的快速充電能力。 ?

這種新型陽(yáng)極材料被稱為“Wadsley-Roth結(jié)晶切變結(jié)構(gòu)”，這些結(jié)構(gòu)開放程度很大，足以提供低電阻的快速充放電，而且結(jié)構(gòu)包含很多用于鑲嵌鋰離子的晶格空位，且在充放電期間不會(huì)像碳陽(yáng)極一樣發(fā)生體積變化。此外，鈮存在多種氧化物，這是拓展電池容量的基礎(chǔ)。對(duì)鈮電極進(jìn)行的深入細(xì)致的研究給人們帶來(lái)了希望，即可以通過主動(dòng)設(shè)計(jì)來(lái)提高電池的電極性能，甚至可以通過計(jì)算方法，而非傳統(tǒng)的逐個(gè)嘗試的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)性能提升。 鈦鈮氧化物（NTO）的快速充電功能聽起來(lái)不錯(cuò)，但是在算出所需電流之前，我們還不能對(duì)它過于熱衷。未來(lái)的充電站能否提供如此高的電流，即便采用現(xiàn)在討論的液冷電纜技術(shù)？研發(fā)出新型的陽(yáng)極材料（如NTO）只是一個(gè)開始，現(xiàn)有和未來(lái)的大量技術(shù)必須通過實(shí)踐才能優(yōu)化其化學(xué)性能。正如一些文章所述，做好這些工作“需要深入了解晶體和電子結(jié)構(gòu)”。

位于巴西Araxa的巴西礦冶公司CBMM是鈮鐵（少量鈮鐵可用作高強(qiáng)度低合金（HSLA）鋼的晶粒細(xì)化劑）和氧化鈮的主要供應(yīng)商。2021年9月24日，CBMM與東芝和一家日本貿(mào)易公司雙日株式會(huì)社簽署了協(xié)議，目的是在保留其前身鈦酸鋰（LTO）電池的快速充電性能和極長(zhǎng)壽命的前提下，開發(fā)出一種具備更高比能的鈦鈮氧化物（NTO）陽(yáng)極鋰離子電池。??

編輯：黃飛

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