新型“開放式”結(jié)構(gòu)鋰電池材料

荷蘭特文特大學(xué)的科學(xué)家們近日制造出了一種實(shí)驗(yàn)性鋰離子電池，它的特點(diǎn)是具有開放和規(guī)則晶體結(jié)構(gòu)的新型電極設(shè)計(jì)，他們稱這可以讓充電速度達(dá)到今天設(shè)備的10倍。

電動(dòng)汽車、智能手機(jī)和無數(shù)其他設(shè)備提供動(dòng)力的鋰離子電池有兩個(gè)電極，即陰極和陽極，而這項(xiàng)新研究的重點(diǎn)是后者。目前，這些陽極是由石墨制成，這在許多方面都有很好的作用，但它無法適應(yīng)超快的充電速度而不發(fā)生故障。

為此，科學(xué)家們正在尋找新的和改進(jìn)的陽極，其中一個(gè)地方是具有納米級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的材料。這種性質(zhì)的陽極有望跟運(yùn)輸鋰離子的液體電解質(zhì)擁有更大的接觸面積，并以此同時(shí)讓離子更容易擴(kuò)散到固體電極材料中，最終使得設(shè)備的充電速度快得多。

但是，多孔納米結(jié)構(gòu)中通道的無序性和隨機(jī)性會(huì)導(dǎo)致這些結(jié)構(gòu)在充電過程中崩潰，同時(shí)還會(huì)降低電池的密度和容量，并且會(huì)導(dǎo)致鋰在陽極表面堆積，進(jìn)而在每個(gè)循環(huán)中降低其性能。此外，這些材料的制造非常復(fù)雜，其涉及到苛刻的化學(xué)品并會(huì)產(chǎn)生大量的化學(xué)廢物。

特文特大學(xué)的科學(xué)家們認(rèn)為，他們已經(jīng)在一種叫做鈮酸鎳的材料中找到了合適的替代品。跟以往解決方案的不規(guī)則性質(zhì)不同，鈮酸鎳具有開放和規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)則擁有相同的、重復(fù)的離子傳輸通道。

研究人員將這種鈮酸鎳陽極集成到一個(gè)完整的電池單元中并測試了它的性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它提供的超快充電率比今天的鋰離子電池快9倍。他們還指出，鈮酸鎳比石墨更緊湊，具有更高的體積能量密度，這可能相當(dāng)于商業(yè)版本的電池更輕、更緊湊。

科學(xué)家們還報(bào)告稱，這種新陽極材料具有很高的容量，約為244 mAh g-1，并且由于鈮酸鎳在運(yùn)行過程中體積變化很小，其81%的容量在2萬個(gè)循環(huán)中得以保留。所有這些都是在不損害陽極材料的情況下發(fā)生的，而據(jù)稱鈮酸鎳的制造過程也比其他納米結(jié)構(gòu)材料要簡單得多，且不需要一個(gè)潔凈室來組裝。

根據(jù)研究人員的說法了解到，這些結(jié)果證明了鈮酸鎳陽極在實(shí)用電池設(shè)備中的儲(chǔ)能潛力。他們認(rèn)為，在電網(wǎng)應(yīng)用中，為需要快速充電的電動(dòng)機(jī)械提供動(dòng)力或在重型電動(dòng)汽車運(yùn)輸中都有直接的潛力。不過他們也表示，要看到它們適用于標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)汽車還需要進(jìn)一步研究和解決問題。

前兩年，劍橋大學(xué)的研究人員也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)的過熱現(xiàn)象。

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)。

研究資深作者Clare Grey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)步驟才能制造，導(dǎo)致其產(chǎn)量極低和可擴(kuò)展性等問題。

相比之下，鈮鎢氧化物制造起來更簡單，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。

審核編輯 ：李倩