美国橡树岭国家实验室：锂离子电池材料突破快充壁垒

（MWNO 晶体结构的全尺寸图像。红色、绿色、灰色（在淡绿色八面体中）和紫色球体分别对应于晶胞中的 O、Nb、W 和 Mo 原子。该结构由与晶体剪切面相交的 4 × 4 ReO3块组成。）

美国能源部橡树岭国家实验室 (Oak Ridge National Laboratory，简称ORNL）和田纳西大学诺克斯维尔分校的研究人员发现了快速充电的锂离子电池所需的一种关键材料。这种具有商业价值的方法为提高电动汽车的充电速度开辟了一条潜在的途径。

锂离子电池，或称LIBs，在国家的清洁能源技术组合中发挥着重要作用。大多数混合动力电动车和全电动车都使用LIBs。这些可充电电池在可靠性和效率方面具有优势，因为它们可以储存更多的能量，比传统的铅酸电池充电更快，寿命更长。然而，该技术仍在发展中，需要取得根本性的进展，以满足改善电动汽车电池的成本、范围和充电时间的优先事项。

ORNL企业研究员和通讯作者Sheng Dai说："克服这些挑战将需要在更有效的材料和可扩展到工业的合成方法方面取得进展。“

发表在《先进能源材料》上的成果展示了一种通过使用可扩展的合成方法实现的新型快速充电电池阳极材料。该团队发现了一种新型的钼-钨-铌酸盐化合物，或称MWNO，具有快速充电性和高效率，有可能在商业电池中取代石墨。

几十年来，石墨一直是用于制造LIB阳极的最佳材料。在基本的电池设计中，两个固体电极--正极和负极--被一个电解质溶液和一个分离器连接。在LIB中，锂离子在阴极和阳极之间来回移动，以储存和释放能量，为设备提供动力。石墨阳极的一个挑战是，在充电过程中，电解质会分解并在阳极表面形成堆积物。这种堆积减缓了锂离子的运动，并可能限制电池的稳定性和性能。

"由于这种迟缓的锂离子运动，石墨阳极被视为极端快速充电的一个障碍。ORNL博士后研究员和第一作者Runming Tao说："我们正在寻找新的、低成本的材料，可以超越石墨的性能。美国能源部的电动汽车极端快速充电目标设定为15分钟或更短，以便与燃气动力汽车的加油时间竞争，而石墨还没有达到这一里程碑。

"我们的方法专注于非石墨材料，但这些材料也有局限性。一些最有前途的材料--铌基氧化物--有着复杂的合成方法，不大适合工业化。"Tao说。

传统的合成铌氧化物（如MWNO）的方法是通过明火进行的能源密集型工艺，也会产生有毒废物。一个实用的替代方法可以推动MWNO材料成为先进电池的重要候选人。研究人员转向了以安全和简单著称的成熟的溶胶-凝胶工艺。与传统的高温合成不同，溶胶-凝胶工艺是一种将液体溶液转化为固体或凝胶材料的低温化学方法，通常用于制造玻璃和陶瓷。

该团队将离子液体和金属盐的混合物转化为多孔凝胶，并对其进行热处理以增强材料的最终特性。这种低能量策略还使用作MWNO模板的离子液体溶剂能够被回收和循环使用。

"这种材料在比石墨更高的电压下工作，而且不容易形成所谓的'钝化固体电解质层'，在充电时减缓锂离子运动。"Tao说："其卓越的容量和快速充电率，再加上可扩展的合成方法，使其成为未来电池材料的一个有吸引力的候选者。

该材料成功的关键是一个纳米多孔结构，它提供了增强的导电性。其结果为锂离子和电子的移动提供了较小的阻力，从而实现了快速充电。

Dai说："这项研究实现了一种具有竞争力的MWNO材料的可扩展合成方法，并为各种储能设备的电极材料的未来设计提供了基本见解。