充满电只需几分钟！新材料将助力造出更高功率电池

锂离子电池是便携式电子设备中可充电电池最普遍的类型之一。在你阅读这篇文章时使用的手机的供电设备很可能就是锂离子电池。普通手机电池充满电一般需要消耗几小时，而一项来自剑桥大学科学家的研究，在未来可将这一充电过程缩短至几分钟！

这项研究表明，铌钨氧化物可作为锂离子电池的正极，使锂离子电池具有更高功率和更快充电速度。新型电池可以适配更多新的设备，如电动车、可再生能源的电网级存储等。

电池有三部分：阳极、阴极以及连接两极的电解质。当锂离子电池放电时，锂离子从阴极向阳极移动，而当充电时，锂离子从阳极向阴极移动。电池中锂离子移动得越快，电池充电越快，这一过程中的功率越高。

最常用的提高锂离子流动速度的方式是把电极粒子做成纳米粒子以缩短锂离子需要穿过的距离。然而，这一方法中遇到了一些挑战。纳米颗粒难以紧密的打包在一起，这就限制了每个单元中储存的能量上限。同时这也可能导致更多副反应的发生，因此这类电池寿命一般不会很长。此外，纳米颗粒的制作也需要高昂的成本。

而本次研究的资深作者剑桥大学材料化学家 Clare Grey 和她的同事对铌钨氧化物进行了研究。他们注意到这些物质具有刚性的开放晶体结构，这就允许锂离子在其中快速流动，即使在相对较大的微米级别的颗粒当中。

研究者分析了两种不同的铌钨氧化物的性能： Nb16W5O55 和 Nb18W16O93 。他们使用脉冲场梯度核磁共振（与核磁共振成像类似）来测量锂离子在氧化物中的移动。

图 | Nb16W5O55 和 Nb18W16O93 的晶型结构。其中 a-c 图为Nb16W5O55，d-f 图为Nb18W16O93。（图源：Nature）

“这项研究很大程度上是全新的，这些领域很少有研究。”研究的主要作者 Kent Griffith 说。Griffith 也是剑桥大学的材料化学家。

科学家发现锂离子在铌钨氧化物中比之前材料中运动快几百倍。这表明，铌钨氧化物可以助力未来制造更高功率和更快充电的电池。

“我们对这种材料最惊讶的地方在于，在这些微米尺度的粒子中，电荷运动速率和扩散速率竟达到如此之快，”Griffith 说，“这些材料可以在几分钟内完成充电过程。”但他也提到，想要制造出商业电池仍还需要大量工作。

研究者也指出，铌钨氧化物除了可以帮助制造更高功率的电池，还可以降低电池的电压。虽然能量可以快速地进出这些铌钨氧化物，但与传统的阳极材料相比，新电池涉及每单位时间更少的能量。

低电池电压可以让电池更安全。例如，大多数锂电池含有石墨阳极。石墨的电属性导致更高的电池电压，但也在高速充电过程中形成细长的锂金属纤维，即树枝晶。这些树枝晶科导致短路，并进一步引起电池着火和爆炸。“因此，需要使用电压较低的电池，如我们的电池，用于高速充电电池。”Griffith 说。

新材料可能存在的问题是，铌和钨都是比较重的原子，导致电池比较重。但 Griffith 认为，铌钨氧化物可存储常规锂电池电极两倍的电量。此外，铌钨氧化物的电极不需要制成纳米颗粒，因此也降低了新电池的成本。

科学家目前正在尝试发现最好的阳极电极材料，和铌钨氧化物共同制成电极。他们还认为，可能存在其他材料和铌钨氧化物类似的性质。“我们对未来发现其他类似性质的材料感到乐观。”Griffith 说。