（MWNO 晶體結(jié)構(gòu)的全尺寸圖像。紅色、綠色、灰色（在淡綠色八面體中）和紫色球體分別對(duì)應(yīng)于晶胞中的 O、Nb、W 和 Mo 原子。該結(jié)構(gòu)由與晶體剪切面相交的 4 × 4 ReO3塊組成。）

美國(guó)能源部橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (Oak Ridge National Laboratory，簡(jiǎn)稱ORNL）和田納西大學(xué)諾克斯維爾分校的研究人員發(fā)現(xiàn)了快速充電的鋰離子電池所需的一種關(guān)鍵材料。這種具有商業(yè)價(jià)值的方法為提高電動(dòng)汽車的充電速度開辟了一條潛在的途徑。

鋰離子電池，或稱LIBs，在國(guó)家的清潔能源技術(shù)組合中發(fā)揮著重要作用。大多數(shù)混合動(dòng)力電動(dòng)車和全電動(dòng)車都使用LIBs。這些可充電電池在可靠性和效率方面具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈兛梢詢?chǔ)存更多的能量，比傳統(tǒng)的鉛酸電池充電更快，壽命更長(zhǎng)。然而，該技術(shù)仍在發(fā)展中，需要取得根本性的進(jìn)展，以滿足改善電動(dòng)汽車電池的成本、范圍和充電時(shí)間的優(yōu)先事項(xiàng)。

ORNL企業(yè)研究員和通訊作者Sheng Dai說："克服這些挑戰(zhàn)將需要在更有效的材料和可擴(kuò)展到工業(yè)的合成方法方面取得進(jìn)展。“

發(fā)表在《先進(jìn)能源材料》上的成果展示了一種通過使用可擴(kuò)展的合成方法實(shí)現(xiàn)的新型快速充電電池陽極材料。該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種新型的鉬-鎢-鈮酸鹽化合物，或稱MWNO，具有快速充電性和高效率，有可能在商業(yè)電池中取代石墨。

幾十年來，石墨一直是用于制造LIB陽極的最佳材料。在基本的電池設(shè)計(jì)中，兩個(gè)固體電極--正極和負(fù)極--被一個(gè)電解質(zhì)溶液和一個(gè)分離器連接。在LIB中，鋰離子在陰極和陽極之間來回移動(dòng)，以儲(chǔ)存和釋放能量，為設(shè)備提供動(dòng)力。石墨陽極的一個(gè)挑戰(zhàn)是，在充電過程中，電解質(zhì)會(huì)分解并在陽極表面形成堆積物。這種堆積減緩了鋰離子的運(yùn)動(dòng)，并可能限制電池的穩(wěn)定性和性能。

"由于這種遲緩的鋰離子運(yùn)動(dòng)，石墨陽極被視為極端快速充電的一個(gè)障礙。ORNL博士后研究員和第一作者Runming Tao說："我們正在尋找新的、低成本的材料，可以超越石墨的性能。美國(guó)能源部的電動(dòng)汽車極端快速充電目標(biāo)設(shè)定為15分鐘或更短，以便與燃?xì)鈩?dòng)力汽車的加油時(shí)間競(jìng)爭(zhēng)，而石墨還沒有達(dá)到這一里程碑。

"我們的方法專注于非石墨材料，但這些材料也有局限性。一些最有前途的材料--鈮基氧化物--有著復(fù)雜的合成方法，不大適合工業(yè)化。"Tao說。

傳統(tǒng)的合成鈮氧化物（如MWNO）的方法是通過明火進(jìn)行的能源密集型工藝，也會(huì)產(chǎn)生有毒廢物。一個(gè)實(shí)用的替代方法可以推動(dòng)MWNO材料成為先進(jìn)電池的重要候選人。研究人員轉(zhuǎn)向了以安全和簡(jiǎn)單著稱的成熟的溶膠-凝膠工藝。與傳統(tǒng)的高溫合成不同，溶膠-凝膠工藝是一種將液體溶液轉(zhuǎn)化為固體或凝膠材料的低溫化學(xué)方法，通常用于制造玻璃和陶瓷。

該團(tuán)隊(duì)將離子液體和金屬鹽的混合物轉(zhuǎn)化為多孔凝膠，并對(duì)其進(jìn)行熱處理以增強(qiáng)材料的最終特性。這種低能量策略還使用作MWNO模板的離子液體溶劑能夠被回收和循環(huán)使用。

"這種材料在比石墨更高的電壓下工作，而且不容易形成所謂的'鈍化固體電解質(zhì)層'，在充電時(shí)減緩鋰離子運(yùn)動(dòng)。"Tao說："其卓越的容量和快速充電率，再加上可擴(kuò)展的合成方法，使其成為未來電池材料的一個(gè)有吸引力的候選者。

該材料成功的關(guān)鍵是一個(gè)納米多孔結(jié)構(gòu)，它提供了增強(qiáng)的導(dǎo)電性。其結(jié)果為鋰離子和電子的移動(dòng)提供了較小的阻力，從而實(shí)現(xiàn)了快速充電。

Dai說："這項(xiàng)研究實(shí)現(xiàn)了一種具有競(jìng)爭(zhēng)力的MWNO材料的可擴(kuò)展合成方法，并為各種儲(chǔ)能設(shè)備的電極材料的未來設(shè)計(jì)提供了基本見解。