劍橋大學(xué)的研究人員一直在研究一類(lèi)材料 – 鈮鎢氧化物 – 用作電池電極。兩種特殊的氧化物具有復雜的晶體結構，研究人員報告說(shuō)，“鋰離子以遠遠超過(guò)典型電極材料的速率，這相當于更快速充電的電池。在典型的循環(huán)速率下使用時(shí)，它們不會(huì )導致更高的能量密度。這兩種氧化物采用晶體剪切和青銅狀結構，即使當鈮氧化鎢顆粒的尺寸為微米量級時(shí)，鋰擴散也很快發(fā)生。與納米顆粒相比，更大的尺寸可能更容易制造?！笆褂眉{米粒子制作實(shí)用電池很困難：電解液會(huì )產(chǎn)生更多不必要的化學(xué)反應，因此電池壽命不長(cháng)，加上制造成本太高，”化學(xué)和論文的第一作者，在大學(xué)新聞發(fā)布會(huì )上。

“納米粒子制作起來(lái)可能很棘手，這就是為什么我們在尋找具有我們正在尋找的特性的材料，即使它們被用作相對較大的微米級粒子。這意味著(zhù)你不必經(jīng)歷一個(gè)復雜的過(guò)程來(lái)制造它們，這樣可以降低成本，“該論文的資深作者Clare Grey也來(lái)自化學(xué)系?！凹{米顆粒在實(shí)際應用中也具有挑戰性，因為它們往往非常’蓬松’，因此很難將它們緊密地包裝在一起，這對電池的體積能量密度至關(guān)重要?！眲虼髮W(xué)博士后研究員Kent Griffith說(shuō)。

在當前工作中使用的鈮鎢氧化物具有剛性的開(kāi)放結構。原子排列很復雜，但格里菲斯認為結構復雜性和混合金屬成分是材料具有獨特傳輸性能的原因?！霸S多電池材料都基于相同的兩個(gè)或三個(gè)晶體結構，但這些鈮鎢氧化物根本不同，”格里菲斯說(shuō)。氧化物通過(guò)氧氣的“支柱”保持打開(kāi)，這使得鋰離子能夠以三維方式穿過(guò)它們?！把鯕庵蚣羟衅矫媸惯@些材料比其他電池化合物更加堅硬，因此，加上它們的開(kāi)放結構意味著(zhù)更多的鋰離子可以穿過(guò)它們，而且速度更快?！?/p>

研究人員使用一種稱(chēng)為脈沖場(chǎng)梯度（PFG）核磁共振（NMR）光譜的技術(shù)，該技術(shù)不易應用于電池電極材料，研究人員測量了鋰離子通過(guò)氧化物的運動(dòng)，發(fā)現它們以幾個(gè)數量級的速率移動(dòng)比典型的電極材料高。目前鋰離子電池中的大多數負極都是由石墨制成，具有高能量密度，但是當高速充電時(shí)，這會(huì )產(chǎn)生短路并導致電池起火并可能爆炸。格雷說(shuō)：“在高利率的應用中，安全性比其他任何操作環(huán)境都要重要?！?nbsp;“對于需要更安全的石墨替代品的快速充電應用而言，這些材料，以及其他類(lèi)似材料，絕對值得關(guān)注?！扁夋u氧化物易于制造?！霸S多納米粒子結構需要多個(gè)步驟來(lái)合成，而你最終只需要少量材料，因此可擴展性是一個(gè)真正的問(wèn)題，”格里菲斯說(shuō)?！暗@些氧化物很容易制造，不需要額外的化學(xué)品或溶劑?！?/p>

盡管氧化物具有優(yōu)異的鋰傳輸速率，但它們確實(shí)導致比一些電極材料更低的電池電壓。然而，工作電壓有利于安全，并且高鋰傳輸速率意味著(zhù)當快速循環(huán)時(shí)，這些材料的實(shí)際（可用）能量密度仍然很高。雖然氧化物可能只適用于某些應用，但Gray說(shuō)重要的是繼續尋找新的化學(xué)品和新材料?！叭绻悴焕^續尋找新的化合物，菲爾茲就會(huì )停滯不前，”她說(shuō)?！斑@些有趣的材料使我們能夠很好地了解我們如何設計更高速率的電極材料?！?/p>