新型“开放式”结构锂电池材料

荷兰特文特大学的科学家们近日制造出了一种实验性锂离子电池，它的特点是具有开放和规则晶体结构的新型电极设计，他们称这可以让充电速度达到今天设备的10倍。

电动汽车、智能手机和无数其他设备提供动力的锂离子电池有两个电极，即阴极和阳极，而这项新研究的重点是后者。目前，这些阳极是由石墨制成，这在许多方面都有很好的作用，但它无法适应超快的充电速度而不发生故障。

为此，科学家们正在寻找新的和改进的阳极，其中一个地方是具有纳米级多孔结构的材料。这种性质的阳极有望跟运输锂离子的液体电解质拥有更大的接触面积，并以此同时让离子更容易扩散到固体电极材料中，最终使得设备的充电速度快得多。

但是，多孔纳米结构中通道的无序性和随机性会导致这些结构在充电过程中崩溃，同时还会降低电池的密度和容量，并且会导致锂在阳极表面堆积，进而在每个循环中降低其性能。此外，这些材料的制造非常复杂，其涉及到苛刻的化学品并会产生大量的化学废物。

特文特大学的科学家们认为，他们已经在一种叫做铌酸镍的材料中找到了合适的替代品。跟以往解决方案的不规则性质不同，铌酸镍具有开放和规则的晶体结构，这些结构则拥有相同的、重复的离子传输通道。

研究人员将这种铌酸镍阳极集成到一个完整的电池单元中并测试了它的性能，结果发现它提供的超快充电率比今天的锂离子电池快9倍。他们还指出，铌酸镍比石墨更紧凑，具有更高的体积能量密度，这可能相当于商业版本的电池更轻、更紧凑。

科学家们还报告称，这种新阳极材料具有很高的容量，约为244 mAh g-1，并且由于铌酸镍在运行过程中体积变化很小，其81%的容量在2万个循环中得以保留。所有这些都是在不损害阳极材料的情况下发生的，而据称铌酸镍的制造过程也比其他纳米结构材料要简单得多，且不需要一个洁净室来组装。

根据研究人员的说法了解到，这些结果证明了铌酸镍阳极在实用电池设备中的储能潜力。他们认为，在电网应用中，为需要快速充电的电动机械提供动力或在重型电动汽车运输中都有直接的潜力。不过他们也表示，要看到它们适用于标准电动汽车还需要进一步研究和解决问题。

前两年，剑桥大学的研究人员也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。

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才能制造，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。

审核编辑 ：李倩