【傳統(tǒng)鋰離子電池out了，新材料讓鋰電池效率大增】鋰離子電池是便攜式電子設(shè)備中可充電電池最普遍的類型之一。在你閱讀這篇文章時(shí)使用的手機(jī)的供電設(shè)備很可能就是鋰離子電池。普通手機(jī)電池充滿電一般需要消耗幾小時(shí)，而一項(xiàng)來(lái)自劍橋大學(xué)科學(xué)家的研究，在未來(lái)可將這一充電過(guò)程縮短至幾分鐘！

這項(xiàng)研究表明，鈮鎢氧化物可作為鋰離子電池的正極，使鋰離子電池具有更高功率和更快充電速度。新型電池可以適配更多新的設(shè)備，如電動(dòng)車(chē)、可再生能源的電網(wǎng)級(jí)存儲(chǔ)等。

電池有三部分：陽(yáng)極、陰極以及連接兩極的電解質(zhì)。當(dāng)鋰離子電池放電時(shí)，鋰離子從陰極向陽(yáng)極移動(dòng)，而當(dāng)充電時(shí)，鋰離子從陽(yáng)極向陰極移動(dòng)。電池中鋰離子移動(dòng)得越快，電池充電越快，這一過(guò)程中的功率越高。

最常用的提高鋰離子流動(dòng)速度的方式是把電極粒子做成納米粒子以縮短鋰離子需要穿過(guò)的距離。然而，這一方法中遇到了一些挑戰(zhàn)。納米顆粒難以緊密的打包在一起，這就限制了每個(gè)單元中儲(chǔ)存的能量上限。同時(shí)這也可能導(dǎo)致更多副反應(yīng)的發(fā)生，因此這類電池壽命一般不會(huì)很長(zhǎng)。此外，納米顆粒的制作也需要高昂的成本。

而本次研究的資深作者劍橋大學(xué)材料化學(xué)家ClareGrey和她的同事對(duì)鈮鎢氧化物進(jìn)行了研究。他們注意到這些物質(zhì)具有剛性的開(kāi)放晶體結(jié)構(gòu)，這就允許鋰離子在其中快速流動(dòng)，即使在相對(duì)較大的微米級(jí)別的顆粒當(dāng)中。

研究者分析了兩種不同的鈮鎢氧化物的性能：Nb16W5O55和Nb18W16O93。他們使用脈沖場(chǎng)梯度核磁共振（與核磁共振成像類似）來(lái)測(cè)量鋰離子在氧化物中的移動(dòng)。

圖|Nb16W5O55和Nb18W16O93的晶型結(jié)構(gòu)。其中a-c圖為Nb16W5O55，d-f圖為Nb18W16O93。（圖源：Nature）

“這項(xiàng)研究很大程度上是全新的，這些領(lǐng)域很少有研究。”研究的主要作者KentGriffith說(shuō)。Griffith也是劍橋大學(xué)的材料化學(xué)家。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鋰離子在鈮鎢氧化物中比之前材料中運(yùn)動(dòng)快幾百倍。這表明，鈮鎢氧化物可以助力未來(lái)制造更高功率和更快充電的電池。

“我們對(duì)這種材料最驚訝的地方在于，在這些微米尺度的粒子中，電荷運(yùn)動(dòng)速率和擴(kuò)散速率竟達(dá)到如此之快，”Griffith說(shuō)，“這些材料可以在幾分鐘內(nèi)完成充電過(guò)程?！钡蔡岬?，想要制造出商業(yè)電池仍還需要大量工作。

研究者也指出，鈮鎢氧化物除了可以幫助制造更高功率的電池，還可以降低電池的電壓。雖然能量可以快速地進(jìn)出這些鈮鎢氧化物，但與傳統(tǒng)的陽(yáng)極材料相比，新電池涉及每單位時(shí)間更少的能量。

低電池電壓可以讓電池更安全。例如，大多數(shù)鋰電池含有石墨陽(yáng)極。石墨的電屬性導(dǎo)致更高的電池電壓，但也在高速充電過(guò)程中形成細(xì)長(zhǎng)的鋰金屬纖維，即樹(shù)枝晶。這些樹(shù)枝晶科導(dǎo)致短路，并進(jìn)一步引起電池著火和爆炸?！耙虼?，需要使用電壓較低的電池，如我們的電池，用于高速充電電池?！盙riffith說(shuō)。

新材料可能存在的問(wèn)題是，鈮和鎢都是比較重的原子，導(dǎo)致電池比較重。但Griffith認(rèn)為，鈮鎢氧化物可存儲(chǔ)常規(guī)鋰電池電極兩倍的電量。此外，鈮鎢氧化物的電極不需要制成納米顆粒，因此也降低了新電池的成本。

科學(xué)家目前正在嘗試發(fā)現(xiàn)最好的陽(yáng)極電極材料，和鈮鎢氧化物共同制成電極。他們還認(rèn)為，可能存在其他材料和鈮鎢氧化物類似的性質(zhì)?！拔覀儗?duì)未來(lái)發(fā)現(xiàn)其他類似性質(zhì)的材料感到樂(lè)觀。”Griffith說(shuō)。