對(duì)下一代電池的研究涉及到對(duì)可能釋放出重大性能提升的替代材料的持續(xù)試驗(yàn),而一項(xiàng)新突破提供了一個(gè)引人注目的例子,它說明了這可能是什么樣子。來自荷蘭特文特大學(xué)的科學(xué)家們近日制造出了一種實(shí)驗(yàn)性鋰離子電池,它的特點(diǎn)是具有開放和規(guī)則晶體結(jié)構(gòu)的新型電極設(shè)計(jì),他們稱這可以讓充電速度達(dá)到今天設(shè)備的10倍。
我們知道,為今天的電動(dòng)汽車、智能手機(jī)和無數(shù)其他設(shè)備提供動(dòng)力的鋰離子電池有兩個(gè)電極,即陰極和陽極,而這項(xiàng)新研究的重點(diǎn)是后者。目前,這些陽極是由石墨制成,這在許多方面都有很好的作用,但它無法適應(yīng)超快的充電速度而不發(fā)生故障。
為此,科學(xué)家們正在尋找新的和改進(jìn)的陽極,其中一個(gè)地方是具有納米級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的材料。這種性質(zhì)的陽極有望跟運(yùn)輸鋰離子的液體電解質(zhì)擁有更大的接觸面積,并以此同時(shí)讓離子更容易擴(kuò)散到固體電極材料中,最終使得設(shè)備的充電速度快得多。
但到目前為止提出的材料也存在一些缺點(diǎn)。多孔納米結(jié)構(gòu)中通道的無序性和隨機(jī)性會(huì)導(dǎo)致這些結(jié)構(gòu)在充電過程中崩潰,同時(shí)還會(huì)降低電池的密度和容量并且會(huì)導(dǎo)致鋰在陽極表面堆積,進(jìn)而在每個(gè)循環(huán)中降低其性能。此外,這些材料的制造非常復(fù)雜,其涉及到苛刻的化學(xué)品并會(huì)產(chǎn)生大量的化學(xué)廢物。
特文特大學(xué)的科學(xué)家們認(rèn)為,他們已經(jīng)在一種叫做鈮酸鎳的材料中找到了合適的替代品。跟以往解決方案的不規(guī)則性質(zhì)不同,鈮酸鎳具有開放和規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu),這些結(jié)構(gòu)則擁有相同的、重復(fù)的離子傳輸通道。
研究人員將這種鈮酸鎳陽極集成到一個(gè)完整的電池單元中并測試了它的性能,結(jié)果發(fā)現(xiàn)它提供的超快充電率比今天的鋰離子電池快9倍。他們還指出,鈮酸鎳比石墨更緊湊,因此具有更高的體積能量密度,這可能相當(dāng)于商業(yè)版本的電池更輕、更緊湊。
科學(xué)家們還報(bào)告稱,這種新陽極材料具有很高的容量,約為244 mAh g-1,并且由于鈮酸鎳在運(yùn)行過程中體積變化很小,其81%的容量在2萬個(gè)循環(huán)中得以保留。所有這些都是在不損害陽極材料的情況下發(fā)生的,而據(jù)稱鈮酸鎳的制造過程也比其他納米結(jié)構(gòu)材料要簡單得多且不需要一個(gè)潔凈室來組裝。
根據(jù)研究人員的說法了解到,這些結(jié)果證明了鈮酸鎳陽極在實(shí)用電池設(shè)備中的儲(chǔ)能潛力。他們認(rèn)為,在電網(wǎng)應(yīng)用中,為需要快速充電的電動(dòng)機(jī)械提供動(dòng)力或在重型電動(dòng)汽車運(yùn)輸中都有直接的潛力。不過他們也表示,要看到它們適用于標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)汽車還需要進(jìn)一步研究和解決問題。