劍橋大學的研究人員一直在研究一類材料 – 鈮鎢氧化物 – 用作電池電極(ji)。兩種(zhong)特(te)殊的(de)氧(yang)化(hua)物具有復(fu)雜的(de)晶(jing)體結構，研究人員報告說，“鋰離子(zi)以(yi)遠(yuan)遠(yuan)超過(guo)典型電極(ji)材(cai)料的(de)速率，這相當(dang)于更(geng)快速充(chong)電的(de)電池。在典型的(de)循環速率下使(shi)用時(shi)，它們不(bu)會(hui)導(dao)致更(geng)高(gao)的(de)能(neng)(neng)量密度。這兩種(zhong)氧(yang)化(hua)物采用晶(jing)體剪(jian)切和青銅狀(zhuang)結構，即使(shi)當(dang)鈮氧(yang)化(hua)鎢顆粒(li)(li)的(de)尺寸為微(wei)米量級時(shi)，鋰擴散也很快發生。與納米顆粒(li)(li)相比，更(geng)大的(de)尺寸可能(neng)(neng)更(geng)容(rong)易制造。“使(shi)用納米粒(li)(li)子(zi)制作實用電池很困難：電解液會(hui)產生更(geng)多不(bu)必要(yao)的(de)化(hua)學(xue)反(fan)應，因此(ci)電池壽(shou)命不(bu)長，加(jia)上制造成(cheng)本太高(gao)，”化(hua)學(xue)和論文的(de)第一作者，在大學(xue)新聞發布會(hui)上。

“納米粒子制作(zuo)(zuo)起來(lai)可(ke)能(neng)很棘(ji)手，這就是為什么我們(men)在(zai)(zai)尋(xun)找具有(you)我們(men)正在(zai)(zai)尋(xun)找的(de)特性(xing)的(de)材料，即(ji)使它(ta)(ta)們(men)被用作(zuo)(zuo)相對(dui)較大(da)的(de)微(wei)米級粒子。這意味著你(ni)不必經歷(li)一個(ge)復雜的(de)過程來(lai)制造它(ta)(ta)們(men)，這樣可(ke)以降(jiang)低成本，“該論文的(de)資深作(zuo)(zuo)者Clare Grey也來(lai)自化學(xue)系(xi)。“納米顆粒在(zai)(zai)實際應用中也具有(you)挑戰性(xing)，因為它(ta)(ta)們(men)往(wang)往(wang)非常(chang)’蓬松’，因此很難(nan)將(jiang)它(ta)(ta)們(men)緊(jin)密地包裝在(zai)(zai)一起，這對(dui)電池的(de)體積能(neng)量密度至關重要。”劍(jian)橋(qiao)大(da)學(xue)博士(shi)后研究員Kent Griffith說。

在當前工作(zuo)中使用(yong)的鈮鎢(wu)氧(yang)(yang)化(hua)物(wu)具有剛性(xing)(xing)的開(kai)(kai)放結(jie)構。原子排列很復雜，但格(ge)里菲斯(si)認為結(jie)構復雜性(xing)(xing)和(he)混合金屬成分是(shi)材(cai)料具有獨特(te)傳輸(shu)性(xing)(xing)能的原因(yin)。“許多電(dian)池材(cai)料都基于(yu)相同的兩個或三個晶(jing)體結(jie)構，但這(zhe)些(xie)鈮鎢(wu)氧(yang)(yang)化(hua)物(wu)根本不同，”格(ge)里菲斯(si)說。氧(yang)(yang)化(hua)物(wu)通過(guo)氧(yang)(yang)氣(qi)的“支柱(zhu)”保持打開(kai)(kai)，這(zhe)使得鋰(li)離子能夠以(yi)三維方(fang)式(shi)穿過(guo)它們。“氧(yang)(yang)氣(qi)柱(zhu)或剪切平面使這(zhe)些(xie)材(cai)料比(bi)其他電(dian)池化(hua)合物(wu)更(geng)加堅硬，因(yin)此，加上它們的開(kai)(kai)放結(jie)構意味著更(geng)多的鋰(li)離子可以(yi)穿過(guo)它們，而(er)且速度更(geng)快。”

研究人員使用(yong)一種稱為脈沖場梯度（PFG）核磁(ci)共振（NMR）光譜的技術，該(gai)技術不(bu)易應用(yong)于電(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)極(ji)材(cai)料，研究人員測量(liang)了鋰離子通過氧化(hua)(hua)物(wu)的運動，發現它們以(yi)幾個數量(liang)級(ji)的速(su)率移動比(bi)典型的電(dian)(dian)極(ji)材(cai)料高。目前鋰離子電(dian)(dian)池(chi)中的大多(duo)數負(fu)極(ji)都是(shi)由石(shi)墨制(zhi)成，具有(you)高能量(liang)密度，但是(shi)當高速(su)充(chong)電(dian)(dian)時，這(zhe)會產(chan)生短路并導致電(dian)(dian)池(chi)起火并可(ke)能爆炸。格(ge)雷說：“在(zai)高利率的應用(yong)中，安(an)(an)全性比(bi)其他任何操作環境都要(yao)重要(yao)。” “對于需(xu)要(yao)更安(an)(an)全的石(shi)墨替代品的快(kuai)速(su)充(chong)電(dian)(dian)應用(yong)而言(yan)，這(zhe)些材(cai)料，以(yi)及其他類似材(cai)料，絕對值得(de)關注。”鈮鎢氧化(hua)(hua)物(wu)易于制(zhi)造。“許多(duo)納(na)米(mi)粒子結構需(xu)要(yao)多(duo)個步驟來合(he)成，而你最終只需(xu)要(yao)少量(liang)材(cai)料，因(yin)此可(ke)擴展性是(shi)一個真正的問題(ti)，”格(ge)里菲斯說。“但這(zhe)些氧化(hua)(hua)物(wu)很(hen)容易制(zhi)造，不(bu)需(xu)要(yao)額外的化(hua)(hua)學品或溶劑。”

盡管(guan)氧化物具有優異的(de)(de)鋰(li)(li)傳輸(shu)速率，但它們(men)確實導致比一些電(dian)極材料(liao)更低的(de)(de)電(dian)池電(dian)壓。然(ran)而(er)，工(gong)作(zuo)電(dian)壓有利于安(an)全，并且高(gao)鋰(li)(li)傳輸(shu)速率意味著當快速循環時，這(zhe)些材料(liao)的(de)(de)實際(ji)（可(ke)用(yong)(yong)）能(neng)(neng)量密度仍(reng)然(ran)很高(gao)。雖然(ran)氧化物可(ke)能(neng)(neng)只適(shi)用(yong)(yong)于某(mou)些應用(yong)(yong)，但Gray說重要(yao)的(de)(de)是繼續尋(xun)找新(xin)的(de)(de)化學品和新(xin)材料(liao)。“如果你不繼續尋(xun)找新(xin)的(de)(de)化合(he)物，菲爾茲就會停滯不前，”她說。“這(zhe)些有趣(qu)的(de)(de)材料(liao)使(shi)我(wo)們(men)能(neng)(neng)夠很好(hao)地(di)了解我(wo)們(men)如何設計更高(gao)速率的(de)(de)電(dian)極材料(liao)。”