新型“開放式”結構鋰電池材料使充電速度提高數倍

對下一代電池的研究涉及到對可能釋放出重大性能提升的替代材料的持續試驗，而一項新突破提供了一個引人注目的例子，它說明了這可能是什么樣子。來自荷蘭特文特大學的科學家們近日制造出了一種實驗性鋰離子電池，它的特點是具有開放和規則晶體結構的新型電極設計，他們稱這可以讓充電速度達到今天設備的10倍。

我們知道，為今天的電動汽車、智能手機和無數其他設備提供動力的鋰離子電池有兩個電極，即陰極和陽極，而這項新研究的重點是后者。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，但它無法適應超快的充電速度而不發生故障。

為此，科學家們正在尋找新的和改進的陽極，其中一個地方是具有納米級多孔結構的材料。這種性質的陽極有望跟運輸鋰離子的液體電解質擁有更大的接觸面積，并以此同時讓離子更容易擴散到固體電極材料中，最終使得設備的充電速度快得多。

但到目前為止提出的材料也存在一些缺點。多孔納米結構中通道的無序性和隨機性會導致這些結構在充電過程中崩潰，同時還會降低電池的密度和容量并且會導致鋰在陽極表面堆積，進而在每個循環中降低其性能。此外，這些材料的制造非常復雜，其涉及到苛刻的化學品并會產生大量的化學廢物。

特文特大學的科學家們認為，他們已經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則性質不同，鈮酸鎳具有開放和規則的晶體結構，這些結構則擁有相同的、重復的離子傳輸通道。

研究人員將這種鈮酸鎳陽極集成到一個完整的電池單元中并測試了它的性能，結果發現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，因此具有更高的體積能量密度，這可能相當于商業版本的電池更輕、更緊湊。

科學家們還報告稱，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行過程中體積變化很小，其81%的容量在2萬個循環中得以保留。所有這些都是在不損害陽極材料的情況下發生的，而據稱鈮酸鎳的制造過程也比其他納米結構材料要簡單得多且不需要一個潔凈室來組裝。

根據研究人員的說法了解到，這些結果證明了鈮酸鎳陽極在實用電池設備中的儲能潛力。他們認為，在電網應用中，為需要快速充電的電動機械提供動力或在重型電動汽車運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準電動汽車還需要進一步研究和解決問題。