美国科学家制造出电极高性能材料 可提高充电速度

盖世汽车讯 过去十年里，锂离子电池的研究和开发突飞猛进，性能不断提高。但相关研究仍然面临重大挑战，即更快的充电速度。该问题一旦解决，将大大加快电动汽车的采用。

据外媒报道，由美国博伊西州立大学（Boise State University）和加州大学圣地亚哥分校（University of California San Diego）领导的研究小组采用非常规方法解决了上述问题。通过利用美国能源部（DOE）阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的资源，研究人员创造出用于电池电极的高性能材料：五氧化二铌（niobium pentoxide）。这种材料具有新的晶体结构，有望在提供出色存储容量的同时加快充电速度。

图片来源：阿贡国家实验室

在充电过程中，锂离子从正极（阴极）移动到负极（阳极，通常由石墨制成）。在较高的充电速度下，锂金属往往会在石墨表面堆积。这一反应被称为电镀，往往会降低性能，并可能导致电池短路、过热和着火。

五氧化二铌不容易发生电镀，因此可能会比石墨更安全耐用。此外，五氧化二铌的原子可以排列成许多不同的稳定配置，不需要太多能量来重新配置。这使得研究人员可以发现提高电池性能的新结构。

在这项研究中，研究人员建造了一个以五氧化二铌为电极材料的纽扣电池。五氧化二铌具有无定形结构，即原子的无序排列。当电池多次充电和放电时，这种无序结构会转变为有序的结晶结构，而这种特殊的结构以前从未在科学文献中报道过。

与无序排列相比，晶体结构使锂离子在充电过程中更容易、更快地传输到阳极中。 这一发现表明该材料有望实现快速充电，且其他测量表明它还可以存储大量电荷。

阿贡纳米材料中心（CNM）的科学家Yuzi Liu使用透射电子显微镜技术来验证从无定形到晶体的结构转变。该技术通过材料样品发送高能电子束，并基于电子与样品的相互作用创建数字图像。而这些图像显示了原子的排列方式。

Liu表示：“由于电子束聚焦在样品的一小块区域，该技术可提供有关该特定区域的详细信息。”。

阿贡高级光子源（APS）的物理学家Hua Zhou使用同步加速器X线衍射技术证实了这种结构变化，包括使用高能X射线束撞击样品，而这些X射线束被材料中原子的电子散射。检测器会测量这种散射以表征材料结构。

X射线衍射可有效地提供有关整个材料样品的整体结构变化的信息，有助于研究电池电极材料，因为它们的结构往往因区域而异。

Zhou表示：“通过用不同角度的X射线束撞击阳极材料，我确认五氧化二铌的表面和内部是均匀结晶的。”。

该研究还利用了其他阿贡实验室的设备来表征材料。阿贡电化学发现实验室的材料科学家Justin Connell使用X射线光电子能谱来评估该阳极材料。Connell将X射线束射入阳极，以一定的能量从阳极中喷射出电子。

Connell表示：“这项技术表明，当电池充电时，铌原子会获得多个电子，这表明阳极具有很高的存储容量。”

阿贡物理学家Sungsik Lee还评估了铌的电子得失。他使用的是X射线吸收光谱的技术，包括使用强烈的同步加速器X射线束撞击该阳极材料，并测量材料中X射线的透射和吸收。

Lee表示：“这项技术提供了整个阳极上电子状态的整体图景，证实了铌获得了多个电子。”

用传统的合成方法，例如对材料进行加热和加压的合成方法，很难制备出高性能、结晶的五氧化二铌。本研究使用非常规合成方法，即对电池进行充电和放电，可制造出创新的电池材料。这种方法甚至可能支持在其他领域制造新型材料，例如半导体和催化剂。