《新发现铌钨氧化物可用于电池快充技术》

  • 来源专题:集成电路
  • 编译者: shenxiang
  • 发布时间:2018-07-27
  • 《自然》(Nature)杂志7月25日报道,英国剑桥大学的研究人员发现,铌钨氧化物(NTO)可用于制造快充电池。虽然NTO晶体结构很复杂,但锂离子通过NTO的速度远远超过通过传统电极材料的速度。此外,NTO独特的物理结构和化学性质,对研究人员研究快充电池的安全性也有借鉴意义。

    目前,虽然智能手机的电池通过快充技术已经能够在数分钟内充满电,但电池技术的发展仍然阻碍了两类清洁技术(电动汽车和太阳能电网级存储)的广泛应用。剑桥大学化学系博士后研究员、论文第一作者肯特格里菲斯(Kent Griffith)说:“我们一直在苦苦寻找理想的快充电池材料。”

    电池的充电速度取决于锂离子的正极通过电解质移动到负极的速率。在寻找新型电极材料时,研究人员通常会试着让材料的粒径更小。格里菲斯解释说:“这样设计的思路是:减少锂离子的移动距离可使运移时间缩短,从而加快充电进程。然而,利用纳米技术制造的电池,电解质副反应很多,成本很高,电池寿命也较短。”剑桥大学化学系教授、论文资深作者克莱尔格雷(Clare Grey)补充说:“因此,我们将视线转向了某些固有特性符合需求的微米级材料。”最终,他们发现NTO可能是潜在的解决方案。

    NTO具有刚性的开放结构,稳定性好且不会“困住”锂离子。其较大的颗粒尺寸也避免了纳米级颗粒的缺陷。格里菲斯推测,NTO之前受到冷遇的原因在于其复杂的原子排列情况。然而,正是这种结构复杂性和混合金属的组成为NTO提供了独特的锂离子传输性能——研究人员利用脉冲场梯度(PFG)核磁共振波谱(NMR)技术,测量了锂离子在NTO中的移动速度,发现比常用电极材料高出若干数量级。NTO除具有高锂传输速率,其制造也较简单。格里菲斯说:“NTO无需额外的化学物质或溶剂就能制造,可扩展性良好。”此外,NTO作为电极材料,虽然电池电压较低,但这对安全性的好处毋庸置疑。

    格雷认为,虽然NTO可能只适用于某些特定应用,但继续发掘类似NTO的新化合物,对电池领域的持续发展很重要。

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    • 编译者:冯瑞华
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    • 据英国剑桥大学官网近日消息,该校研究人员在最新一期《自然》杂志上撰文指出,铌钨氧化物拥有更高的锂通过速度,可用于研制更快速充电的电池,而且,该氧化物的物理结构和化学行为有助他们深入了解如何构建安全、超快速充电电池。 在寻找新电极材料时,研究人员通常尝试使材料颗粒变得更小,但制造含有纳米粒子的实用电池很困难:电解液会产生更多不必要的化学反应,因此电池的使用寿命不长,而且制造成本也很高。最新研究中使用的铌钨氧化物具有坚硬而开放的结构,其不捕获插入的锂,并且粒子的大小比许多其他电极材料更大。 研究第一作者、剑桥大学化学系博士后研究员肯特·格里菲斯解释说:“许多电池材料都基于相同的两个或三个晶体结构,但这些铌钨氧化物根本不同。氧化物通过氧气‘支柱’保持打开,使锂离子能以三维方式穿过它们,这意味着更多锂离子可以穿过,且速度更快。测量结果也显示,锂离子通过氧化物的速度,以比在典型电极材料高几个数量级。” 除了高锂迁移率外,铌钨氧化物也易于制造。格里菲斯说:“许多纳米粒子结构需要多个步骤来合成,但这些氧化物很容易制造,不需要额外的化学品或溶剂。” 目前锂离子电池中的大多数负极都由石墨制成,石墨具有高能量密度,但当以高倍率充电时,往往会形成被称为“枝晶”的细长锂金属纤维,这会造成短路并导致电池着火,甚至发生爆炸。 格里菲斯说:“在高倍率应用中,安全性比其他任何操作环境都要重要。对于需要更安全的石墨替代品的快速充电应用而言,这些材料以及其他类似材料,绝对值得关注。”
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    • 编译者:郭楷模
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    • 在绿色制造领域,电池技术的革新对于推动可持续发展至关重要。近日,莱斯大学研究团队在锂离子电池研究方面取得突破性进展,为厚电池电极的性能提升提供了新思路。 传统观点认为,通过不同图案化技术在电极材料中创建孔道,可缓解厚电池电极反应均匀性差的问题。然而,由材料科学家唐明领导的莱斯大学研究团队发现,即便厚电池电极所用材料结构相近,其内部化学性质对能量流动及性能的影响也存在差异,电极材料的热力学性质比结构设计更为重要。 研究团队成员李泽元表示,“厚”电池电极虽能储存更多能量,利于延长手机续航或为电动汽车充电,但受可用容量限制,难以快速充放电,存在反应不均匀问题,就像厚海绵灌水,水只会涌入一部分,其余部分干燥。 根据《先进材料》杂志发表的研究,研究人员比较了磷酸铁锂(LFP)和镍锰钴氧化物混合物(NMC)两种常见锂离子电池电极材料。结果显示,在相同循环条件下测试,LFP电极降解速度比NMC电极更快,因锂流不平衡,内部开裂和容量损失更多。 研究人员利用布鲁克海文国家实验室的高分辨率X射线成像技术,追踪锂离子在电极内部的移动轨迹。发现LFP电极在靠近隔膜表面附近有强烈反应“热点”,较深区域基本不活跃,且不均匀性在电池静置后仍存在;而NMC电极反应曲线更加均衡。 莱斯大学材料科学与纳米工程副教授唐明称,材料的热力学性质决定了反应如何扩散,这一发现为电池设计带来新认识,有望提高厚电池电极的效率。 基于这一发现,研究团队开发了名为“反应均匀度数”的新指标,该指标能捕捉影响反应行为的结构和热力学因素,帮助工程师评估电池材料在厚电极中的表现。唐明表示,磨损不均匀的电池会更快报废,浪费存储容量,新指标为工程师在材料、微观结构、几何形状等方面选择正确配方提供了新指导,有助于提高厚电极性能。