據(jù)外媒報(bào)道，美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校（University of California San Diego）和博伊西州立大學(xué)（Boise State University）的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新方法，用以制造新型鋰離子電池材料。該方法通過(guò)使非晶材料與鋰進(jìn)行循環(huán)，將其轉(zhuǎn)化為晶體材料。
（圖片來(lái)源：加州大學(xué)圣地亞哥分校）
該團(tuán)隊(duì)采用這種方法，將名為氧化鈮的非晶（無(wú)定形）材料轉(zhuǎn)化為新型晶態(tài)Nb2O5負(fù)極，使其具有出色的鋰存儲(chǔ)和快速循環(huán)能力。對(duì)于制造其他傳統(tǒng)方法難以制造的鋰離子電池材料，這種工藝可能發(fā)揮作用。這項(xiàng)研究由加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程學(xué)教授Shyue Ping Ong實(shí)驗(yàn)室的研究人員和博伊西州立大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)教授Hui (Claire) Xiong共同領(lǐng)導(dǎo)。
隨著油價(jià)上漲，人們對(duì)電動(dòng)汽車的需求日益增長(zhǎng)。然而，目前為電動(dòng)汽車提供動(dòng)力的鋰離子電池成本較高，而且充電太慢，因此迫切需要開(kāi)發(fā)新的電池材料。Xiong團(tuán)隊(duì)的博士校友、這項(xiàng)研究的主要作者Pete Barnes表示：“如果想要充電15分鐘，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航200或300英里，需要用到新電極，使其能以非?？斓乃俣瘸潆?，而且不會(huì)出現(xiàn)太大的性能損失。”
目前，鋰離子電池充電的最大瓶頸之一在于負(fù)極。常用的石墨負(fù)極具有高能量密度，但是充電速度慢，因?yàn)殇嚱饘馘儗右滓鸹馂?zāi)和爆炸風(fēng)險(xiǎn)。研究人員將插層金屬氧化物（intercalation metal oxides）視為有前途的負(fù)極替代品，如該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的巖鹽Nb2O5材料，有望降低在低電壓下的鍍鋰風(fēng)險(xiǎn)。
為了制造這種負(fù)極材料，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種創(chuàng)新技術(shù)，名為電化學(xué)誘導(dǎo)非晶態(tài)到晶態(tài)轉(zhuǎn)變（electrochemically-induced amorphous-to-crystalline transformation）。這種新電極在20 mA/g的充電速率下，可實(shí)現(xiàn)269 mAh/g的高儲(chǔ)鋰容量，更為重要的是，在1 A/g的高充電速率下，繼續(xù)保持191 mAh/g的高容量。Xiong表示：“這項(xiàng)工作中最令人興奮的是，發(fā)現(xiàn)了一種創(chuàng)造新型鋰離子電池電極的新方法。其訣竅在于從更高的能量相位開(kāi)始，比如非晶態(tài)材料。只需將材料與鋰進(jìn)行循環(huán)，就可以創(chuàng)造出新的晶體排列，其性能優(yōu)于通過(guò)固態(tài)反應(yīng)等傳統(tǒng)方法制造的材料。”
這種負(fù)極具有卓越的倍率性能，源于其無(wú)序巖鹽（DRX）結(jié)構(gòu)，這有點(diǎn)像廚房的鹽，但鋰和鈮原子以隨機(jī)方式排列。相對(duì)來(lái)說(shuō)，DRX正極材料較為常見(jiàn)，而DRX負(fù)極較為少見(jiàn)。加州大學(xué)圣地亞哥分校Ong材料虛擬實(shí)驗(yàn)室的博士校友Yunxing Zuo利用計(jì)算技術(shù)，展示將Li插入非晶態(tài)Nb2O5的過(guò)程，從而獲得亞穩(wěn)態(tài)材料。該團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了一種衡量標(biāo)準(zhǔn)，以發(fā)現(xiàn)其他可能以類似方式合成的金屬氧化物。另外，計(jì)算結(jié)果表明，DRX結(jié)構(gòu)中含有快速鋰擴(kuò)散路徑，具有較高的倍率性能。
研究人員認(rèn)為，這項(xiàng)工作僅僅是開(kāi)啟了一種全新的材料合成思維方式。Ong表示：“原子喜歡以某種方式排列自己。用傳統(tǒng)方法制造材料，通常會(huì)反復(fù)得到同樣的結(jié)果。這種新方法開(kāi)辟了一條富有前景的道路，可用于制造其他非常規(guī)金屬氧化物。”
