鋰離子電池(LIB)在美國清潔能源技術組合中發(fā)揮著重要作用。大多數(shù)混合動力電動汽車和純電動汽車使用的都是LIB。這些可充電電池在可靠性和效率方面具有優(yōu)勢，因為可以比傳統(tǒng)鉛酸電池存儲更多的能量，具有更快的充電速度和更長的續(xù)航時間。然而，這項技術仍在發(fā)展中，需要取得根本性的進步才能真正降低電動汽車電池的成本、提高續(xù)航里程和縮短充電時間。
ORNL企業(yè)研究員和通訊作者Sheng Dai表示：“克服這些挑戰(zhàn)將需要更有效的材料和可擴展到工業(yè)的合成方法。”
圖片來源：期刊《Advanced Energy Materials》
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相關論文發(fā)表于期刊《Advanced Energy Materials》，描述了一種通過使用可擴展合成方法實現(xiàn)的新型快速充電電池負極材料：新的鉬-鎢-鈮酸鹽化合物(MWNO)，具有快速充電和高效率的特點，有可能取代商業(yè)電池中的石墨。
幾十年來，石墨一直是制造鋰離子電池陽極的最佳材料。在基本的電池設計中，兩個固體電極——正極和負極——通過電解質(zhì)溶液和隔膜連接。在LIB中，鋰離子在陰極和陽極之間來回移動，以存儲和釋放為設備供電的能量。石墨陽極面臨的一個挑戰(zhàn)是在充電過程中，電解質(zhì)會分解并在陽極表面形成堆積物。這種積聚會減慢鋰離子的運動，并會降低電池的穩(wěn)定性和性能。
ORNL博士后研究員和第一作者Runming Tao表示：“由于這種緩慢的鋰離子運動，石墨陽極被視為極速充電的障礙。我們正在尋找性能優(yōu)于石墨的新型低成本材料。”
我們的方法側(cè)重于非石墨材料，但這些材料也有局限性。一些有潛力的材料，如鈮基氧化物，其合成方法十分復雜，不太適合工業(yè)。”
鈮氧化物(如MWNO)的常規(guī)合成是一個在明火上的能源密集型過程，會產(chǎn)生有毒廢物。一種實用的替代方案可以推動MWNO材料成為先進電池的重要候選材料。研究人員轉(zhuǎn)向以安全和簡單的成熟溶膠-凝膠工藝。與傳統(tǒng)的高溫合成不同，溶膠-凝膠工藝是將液體溶液轉(zhuǎn)化為固體或凝膠材料的低溫化學方法，通常用于制造玻璃和陶瓷。
該團隊將離子液體和金屬鹽的混合物轉(zhuǎn)化為多孔凝膠，并經(jīng)過熱處理以增強材料的最終性能。該低能量策略還使用作MWNO模板的離子液體溶劑能夠被回收和循環(huán)利用。
Tao表示：“與石墨相比，這種材料可在更高的電壓下工作，并且不容易形成所謂的‘鈍化固體電解質(zhì)層’，而這種電介質(zhì)層在充電過程中會減緩鋰離子的運動。憑借其卓越的容量和快速充電速率，以及可擴展的合成方法，該材料成為未來電池極具可能的候選材料。”
該材料成功的關鍵是提供增強導電性的納米多孔結構。結果顯示，該材料為鋰離子和電子的運動提供了較小的阻力，從而實現(xiàn)了快速充電。
Dai表示：“此次研究成功發(fā)現(xiàn)MWNO材料的可擴展合成方法，并為未來用于各種儲能設備的電極材料奠定了基礎。”