研究人员将非晶固体转化为新型电池材料 加快充电速度

据外媒报道，美国加州大学圣地亚哥分校（University of California San Diego）和博伊西州立大学（Boise State University）的研究人员开发了一种新方法，用以制造新型锂离子电池材料。该方法通过使非晶材料与锂进行循环，将其转化为晶体材料。

（图片来源：加州大学圣地亚哥分校）

该团队采用这种方法，将名为氧化铌的非晶（无定形）材料转化为新型晶态Nb2O5负极，使其具有出色的锂存储和快速循环能力。对于制造其他传统方法难以制造的锂离子电池材料，这种工艺可能发挥作用。这项研究由加州大学圣地亚哥分校纳米工程学教授Shyue Ping Ong实验室的研究人员和博伊西州立大学材料科学与工程学教授Hui (Claire) Xiong共同领导。

随着油价上涨，人们对电动汽车的需求日益增长。然而，目前为电动汽车提供动力的锂离子电池成本较高，而且充电太慢，因此迫切需要开发新的电池材料。Xiong团队的博士校友、这项研究的主要作者Pete Barnes表示：“如果想要充电15分钟，实现电动汽车续航200或300英里，需要用到新电极，使其能以非常快的速度充电，而且不会出现太大的性能损失。”

目前，锂离子电池充电的最大瓶颈之一在于负极。常用的石墨负极具有高能量密度，但是充电速度慢，因为锂金属镀层易引起火灾和爆炸风险。研究人员将插层金属氧化物（intercalation metal oxides）视为有前途的负极替代品，如该团队发现的岩盐Nb2O5材料，有望降低在低电压下的镀锂风险。

为了制造这种负极材料，研究团队开发了一种创新技术，名为电化学诱导非晶态到晶态转变（electrochemically-induced amorphous-to-crystalline transformation）。这种新电极在20 mA/g的充电速率下，可实现269 mAh/g的高储锂容量，更为重要的是，在1 A/g的高充电速率下，继续保持191 mAh/g的高容量。Xiong表示：“这项工作中最令人兴奋的是，发现了一种创造新型锂离子电池电极的新方法。其诀窍在于从更高的能量相位开始，比如非晶态材料。只需将材料与锂进行循环，就可以创造出新的晶体排列，其性能优于通过固态反应等传统方法制造的材料。”

这种负极具有卓越的倍率性能，源于其无序岩盐（DRX）结构，这有点像厨房的盐，但锂和铌原子以随机方式排列。相对来说，DRX正极材料较为常见，而DRX负极较为少见。加州大学圣地亚哥分校Ong材料虚拟实验室的博士校友Yunxing Zuo利用计算技术，展示将Li插入非晶态Nb2O5的过程，从而获得亚稳态材料。该团队还开发了一种衡量标准，以发现其他可能以类似方式合成的金属氧化物。另外，计算结果表明，DRX结构中含有快速锂扩散路径，具有较高的倍率性能。

研究人员认为，这项工作仅仅是开启了一种全新的材料合成思维方式。Ong表示：“原子喜欢以某种方式排列自己。用传统方法制造材料，通常会反复得到同样的结果。这种新方法开辟了一条富有前景的道路，可用于制造其他非常规金属氧化物。”