充滿電只需幾分鐘！新材料將助力造出更高功率電池

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鋰離子電池是攜帶型電子設備中可充電電池最普遍的類型之一。在你閱讀這篇文章時使用的手機的供電設備很可能就是鋰離子電池。普通手機電池充滿電一般需要消耗幾小時，而一項來自劍橋大學科學家的研究，在未來可將這一充電過程縮短至幾分鐘！

這項研究表明，鈮鎢氧化物可作為鋰離子電池的正極，使鋰離子電池具有更高功率和更快充電速度。新型電池可以適配更多新的設備，如電動車、可再生能源的電網級存儲等。

電池有三部分：陽極、陰極以及連接兩極的電解質。當鋰離子電池放電時，鋰離子從陰極向陽極移動，而當充電時，鋰離子從陽極向陰極移動。電池中鋰離子移動得越快，電池充電越快，這一過程中的功率越高。

最常用的提高鋰離子流動速度的方式是把電極粒子做成納米粒子以縮短鋰離子需要穿過的距離。然而，這一方法中遇到了一些挑戰。納米顆粒難以緊密的打包在一起，這就限制了每個單元中儲存的能量上限。同時這也可能導致更多副反應的發生，因此這類電池壽命一般不會很長。此外，納米顆粒的製作也需要高昂的成本。

而本次研究的資深作者劍橋大學材料化學家 Clare Grey 和她的同事對鈮鎢氧化物進行了研究。他們注意到這些物質具有剛性的開放晶體結構，這就允許鋰離子在其中快速流動，即使在相對較大的微米級別的顆粒當中。

研究者分析了兩種不同的鈮鎢氧化物的性能： Nb16W5O55 和 Nb18W16O93 。他們使用脈衝場梯度核磁共振（與核磁共振成像類似）來測量鋰離子在氧化物中的移動。

圖 | Nb16W5O55 和 Nb18W16O93 的晶型結構。其中 a-c 圖為Nb16W5O55，d-f 圖為Nb18W16O93。（圖源：Nature）

「這項研究很大程度上是全新的，這些領域很少有研究。」研究的主要作者 Kent Griffith 說。Griffith 也是劍橋大學的材料化學家。

科學家發現鋰離子在鈮鎢氧化物中比之前材料中運動快幾百倍。這表明，鈮鎢氧化物可以助力未來製造更高功率和更快充電的電池。

「我們對這種材料最驚訝的地方在於，在這些微米尺度的粒子中，電荷運動速率和擴散速率竟達到如此之快，」Griffith 說，「這些材料可以在幾分鐘內完成充電過程。」但他也提到，想要製造出商業電池仍還需要大量工作。

研究者也指出，鈮鎢氧化物除了可以幫助製造更高功率的電池，還可以降低電池的電壓。雖然能量可以快速地進出這些鈮鎢氧化物，但與傳統的陽極材料相比，新電池涉及每單位時間更少的能量。

低電池電壓可以讓電池更安全。例如，大多數鋰電池含有石墨陽極。石墨的電屬性導致更高的電池電壓，但也在高速充電過程中形成細長的鋰金屬纖維，即樹枝晶。這些樹枝晶科導致短路，並進一步引起電池著火和爆炸。「因此，需要使用電壓較低的電池，如我們的電池，用於高速充電電池。」Griffith 說。

新材料可能存在的問題是，鈮和鎢都是比較重的原子，導致電池比較重。但 Griffith 認為，鈮鎢氧化物可存儲常規鋰電池電極兩倍的電量。此外，鈮鎢氧化物的電極不需要製成納米顆粒，因此也降低了新電池的成本。

科學家目前正在嘗試發現最好的陽極電極材料，和鈮鎢氧化物共同製成電極。他們還認為，可能存在其他材料和鈮鎢氧化物類似的性質。「我們對未來發現其他類似性質的材料感到樂觀。」Griffith 說。

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