鋰離子電池(LIB)在美國(guó)清潔能源技術(shù)組合中發(fā)揮著重要作用。大多數(shù)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)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(shì)，因?yàn)榭梢员葌鹘y(tǒng)鉛酸電池存儲(chǔ)更多的能量，具有更快的充電速度和更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間。然而，這項(xiàng)技術(shù)仍在發(fā)展中，需要取得根本性的進(jìn)步才能真正降低電動(dòng)汽車(chē)電池的成本、提高續(xù)航里程和縮短充電時(shí)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(kuò)展到工業(yè)的合成方法。”

圖片來(lái)源：期刊《Advanced Energy Materials》

相關(guān)論文發(fā)表于期刊《Advanced Energy Materials》，描述了一種通過(guò)使用可擴(kuò)展合成方法實(shí)現(xiàn)的新型快速充電電池負(fù)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(diǎn)，有可能取代商業(yè)電池中的石墨。

幾十年來(lái)，石墨一直是制造鋰離子電池陽(yáng)極的最佳材料。在基本的電池設(shè)計(jì)中，兩個(gè)固體電極——正極和負(fù)極——通過(guò)電解質(zhì)溶液和隔膜連接。在LIB中，鋰離子在陰極和陽(yáng)極之間來(lái)回移動(dòng)，以存儲(chǔ)和釋放為設(shè)備供電的能量。石墨陽(yáng)極面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是在充電過(guò)程中，電解質(zhì)會(huì)分解并在陽(yáng)極表面形成堆積物。這種積聚會(huì)減慢鋰離子的運(yùn)動(dòng)，并會(huì)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(yùn)動(dòng)，石墨陽(yáng)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(fù)雜，不太適合工業(yè)。”

鈮氧化物(如MWNO)的常規(guī)合成是一個(gè)在明火上的能源密集型過(guò)程，會(huì)產(chǎn)生有毒廢物。一種實(shí)用的替代方案可以推動(dòng)MWNO材料成為先進(jìn)電池的重要候選材料。研究人員轉(zhuǎn)向以安全和簡(jiǎn)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(xué)方法，通常用于制造玻璃和陶瓷。

該團(tuán)隊(duì)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(guò)熱處理以增強(qiáng)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(guò)程中會(huì)減緩鋰離子的運(yùn)動(dòng)。憑借其卓越的容量和快速充電速率，以及可擴(kuò)展的合成方法，該材料成為未來(lái)電池極具可能的候選材料。”

該材料成功的關(guān)鍵是提供增強(qiáng)導(dǎo)電性的納米多孔結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，該材料為鋰離子和電子的運(yùn)動(dòng)提供了較小的阻力，從而實(shí)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(kuò)展合成方法，并為未來(lái)用于各種儲(chǔ)能設(shè)備的電極材料奠定了基礎(chǔ)。”