據(jù)外媒報道，美國加州大學圣地亞哥分校（University of California San Diego）和博伊西州立大學（Boise State University）的研究人員開發(fā)了一種新方法，用以制造新型鋰離子電池材料。該方法通過使非晶材料與鋰進行循環(huán)，將其轉(zhuǎn)化為晶體材料。

（圖片來源：加州大學圣地亞哥分校）

 

       該團隊采用這種方法，將名為氧化鈮的非晶（無定形）材料轉(zhuǎn)化為新型晶態(tài)Nb2O5負極，使其具有出色的鋰存儲和快速循環(huán)能力。對于制造其他傳統(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。這項研究由加州大學圣地亞哥分校納米工程學教授Shyue Ping Ong實驗室的研究人員和博伊西州立大學材料科學與工程學教授Hui (Claire) Xiong共同領(lǐng)導。

 

       隨著油價上漲，人們對電動汽車的需求日益增長。然而，目前為電動汽車提供動力的鋰離子電池成本較高，而且充電太慢，因此迫切需要開發(fā)新的電池材料。Xiong團隊的博士校友、這項研究的主要作者Pete Barnes表示：“如果想要充電15分鐘，實現(xiàn)電動汽車續(xù)航200或300英里，需要用到新電極，使其能以非�？斓乃俣瘸潆姡�而且不會出現(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極。常用的石墨負極具有高能量密度，但是充電速度慢，因為鋰金屬鍍層易引起火災(zāi)和爆炸風險。研究人員將插層金屬氧化物（intercalation metal oxides）視為有前途的負極替代品，如該團隊發(fā)現(xiàn)的巖鹽Nb2O5材料，有望降低在低電壓下的鍍鋰風險。

 

       為了制造這種負極材料，研究團隊開發(fā)了一種創(chuàng)新技術(shù)，名為電化學誘導非晶態(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，可實現(xiàn)269 mAh/g的高儲鋰容量，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始，比如非晶態(tài)材料。只需將材料與鋰進行循環(huán)，就可以創(chuàng)造出新的晶體排列，其性能優(yōu)于通過固態(tài)反應(yīng)等傳統(tǒng)方法制造的材料。”

 

       這種負極具有卓越的倍率性能，源于其無序巖鹽（DRX）結(jié)構(gòu)，這有點像廚房的鹽，但鋰和鈮原子以隨機方式排列。相對來說，DRX正極材料較為常見，而DRX負極較為少見。加州大學圣地亞哥分校Ong材料虛擬實驗室的博士校友Yunxing Zuo利用計算技術(shù)，展示將Li插入非晶態(tài)Nb2O5的過程，從而獲得亞穩(wěn)態(tài)材料。該團隊還開發(fā)了一種衡量標準，以發(fā)現(xiàn)其他可能以類似方式合成的金屬氧化物。另外，計算結(jié)果表明，DRX結(jié)構(gòu)中含有快速鋰擴散路徑，具有較高的倍率性能。

 

       研究人員認為，這項工作僅僅是開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，通常會反復得到同樣的結(jié)果。這種新方法開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。”