文|陈根

当前正在出售的锂离子电池中,一般有两种材料作为阳极。最常见的是石墨阳极,它的能量密度极高,可以为汽车供电数百英里而无需充电。然而,这种电池在充电时会有锂金属电镀的过程,从而容易导致火灾和爆炸。

另一种是钛酸锂阳极,可以快速充电,但缺点是随着时间推移其能量密度会显著下降,这意味着需要更频繁地对电池进行充电。

为此,科学家们一直在寻找新的和改进阳极的方式,其中就包括具有纳米级多孔结构的材料。这种性质的阳极有望与输送锂离子的液体电解质有更大的接触面积,同时使离子更容易扩散到固体电极材料中,最终使设备充电速度更快。

但遗憾的是,多孔纳米结构中通道的无序和随机性质往往会导致纳米结构在充电过程中坍塌,同时也会降低电池的密度和容量,并会导致锂在阳极表面堆积,并在每次循环中降低其性能。

针对这些问题,近日荷兰特文特大学研发出一款新型锂离子电池。这种电池采用了一种新颖的电极设计,具有“开放和规则”的晶体结构。更重要的是,这种电池可以以目前设备10倍的速度充电。

该新型锂电池采用的是铌酸镍(nickel niobate,NiNb2O6)作为材料。铌酸镍具有独特的晶体结构,有相同且重复的离子传输信道。在材料制造方面,也不需要在无尘室内组装。此外,铌酸镍比石墨更致密、体积能量密度更高,更有机会打造出更轻、更简单的商业电池。

值得一提的是,这种新型阳极材料容量很高,约为244 mAh g-1。由于在操作过程中,铌酸镍内部的体积变化很小,因此在2万次循环后它还可以保留81%的容量,而且所有这些过程都不会对阳极材料造成损耗。

实验中,研究人员将铌酸镍阳极集成到一个完整的电池中,测试了它的性能,发现其电池快充率(ultra-fast charging rates)是一般锂离子电池的10倍。

总的来说,开发出的新型锂电池不仅充电速度能加快10倍,充电过程也不会损坏电池或缩短电池寿命。未来,期待其在电网或大型电动汽车市场的应用。