劍橋大學(xué)的研究人員一直在研究一類材料 – 鈮鎢氧化物 – 用作電池電極。兩種特殊的氧化物具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，研究人員報告說，“鋰離子以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過典型電極材料的速率，這相當(dāng)于更快速充電的電池。在典型的循環(huán)速率下使用時，它們不會導(dǎo)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(jié)構(gòu)，即使當(dāng)鈮氧化鎢顆粒的尺寸為微米量級時，鋰擴(kuò)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。“使用納米粒子制作實用電池很困難：電解液會產(chǎn)生更多不必要的化學(xué)反應(yīng)，因此電池壽命不長，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)布會上。

“納米粒子制作起來可能很棘手，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。這意味著你不必經(jīng)歷一個復(fù)雜的過程來制造它們，這樣可以降低成本，“該論文的資深作者Clare Grey也來自化學(xué)系。“納米顆粒在實際應(yīng)用中也具有挑戰(zhàn)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。”劍橋大學(xué)博士后研究員Kent Griffith說。

在當(dāng)前工作中使用的鈮鎢氧化物具有剛性的開放結(jié)構(gòu)。原子排列很復(fù)雜，但格里菲斯認(rèn)為結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和混合金屬成分是材料具有獨特傳輸性能的原因。“許多電池材料都基于相同的兩個或三個晶體結(jié)構(gòu)，但這些鈮鎢氧化物根本不同，”格里菲斯說。氧化物通過氧氣的“支柱”保持打開，這使得鋰離子能夠以三維方式穿過它們。“氧氣柱或剪切平面使這些材料比其他電池化合物更加堅硬，因此，加上它們的開放結(jié)構(gòu)意味著更多的鋰離子可以穿過它們，而且速度更快。”

研究人員使用一種稱為脈沖場梯度（PFG）核磁共振（NMR）光譜的技術(shù)，該技術(shù)不易應(yīng)用于電池電極材料，研究人員測量了鋰離子通過氧化物的運動，發(fā)現(xiàn)它們以幾個數(shù)量級的速率移動比典型的電極材料高。目前鋰離子電池中的大多數(shù)負(fù)極都是由石墨制成，具有高能量密度，但是當(dāng)高速充電時，這會產(chǎn)生短路并導(dǎo)致電池起火并可能爆炸。格雷說：“在高利率的應(yīng)用中，安全性比其他任何操作環(huán)境都要重要。” “對于需要更安全的石墨替代品的快速充電應(yīng)用而言，這些材料，以及其他類似材料，絕對值得關(guān)注。”鈮鎢氧化物易于制造。“許多納米粒子結(jié)構(gòu)需要多個步驟來合成，而你最終只需要少量材料，因此可擴(kuò)展性是一個真正的問題，”格里菲斯說。“但這些氧化物很容易制造，不需要額外的化學(xué)品或溶劑。”

盡管氧化物具有優(yōu)異的鋰傳輸速率，但它們確實導(dǎo)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當(dāng)快速循環(huán)時，這些材料的實際（可用）能量密度仍然很高。雖然氧化物可能只適用于某些應(yīng)用，但Gray說重要的是繼續(xù)尋找新的化學(xué)品和新材料。“如果你不繼續(xù)尋找新的化合物，菲爾茲就會停滯不前，”她說。“這些有趣的材料使我們能夠很好地了解我們?nèi)绾卧O(shè)計更高速率的電極材料。”