新型负极材料问世 让电池在20秒内提供超过40%的容量

据外媒报道，加州大学圣地亚哥分校（UC San Diego）的科学家发现一种新负极材料，可以使锂离子电池在数分钟内安全充电，并且可以承受数千次的充放电循环。这种新型负极名为无序岩盐，由地球上储量丰富的锂、钒和氧原子组成，其排列方式与厨房里用的普通食盐相似，但是更加随机。在需要高能量密度和高功率的商业应用领域，如电动汽车、真空吸尘器或电钻，这种材料前景广阔。

图片来源：UCS官网

这项研究由Ping Liu教授和Shyue Ping Ong教授实验室的纳米工程师共同领导。

目前，锂离子电池常用的负极材料有两种。最常见的是石墨负极，它的能量密度极高，单次充电可以支持电动汽车行驶数百英里。然而，由于锂金属电镀过程，如果石墨负极充电速度过快，会容易发生火灾和爆炸。石墨负极的替代品——钛酸锂负极更加安全，可以快速充电，但是能量密度显著降低，导致电池需要更频繁地充电。

研究人员发现的新型无序岩盐负极Li3V2O5，处于重要的中间位置：它比石墨更安全，但是至少可以比钛酸锂多提供71%的能量。“它的容量和能量比石墨稍低，但充电速度更快，更安全，使用寿命更长。而且，它具有更低的电压，与目前使用的商业化快速充电钛酸锂负极相比，能量密度得到大大地提高。”主要研究人员Haodong Liu说，“因此，使用这种材料，我们可以制造出充电快、寿命长、安全的电池，而且不会牺牲太多的能量密度。”

为了将这一发现商业化，研究人员成立了Tyfast公司。这家初创公司将电动巴士和电动工具定为首要市场，因为Li3V2O5无序岩盐很适合用于便于充电的设备。研究人员计划继续研发此种锂钒氧化物负极材料，同时优化其他电池组件，以开发商业上可行的整个电池。

Ping Liu表示：“很长一段时间以来，电池领域一直在寻找一种电位略高于石墨的负极材料，以实现安全、可快速充电的锂离子电池。这种材料填补了重要的知识和应用空白，并且可以作为当今锂离子电池制造工艺的直接替代解决方案，我们对它的商业潜力感到兴奋。”

为什么要尝试这种材料？

六年前，研究人员开始尝试用无序岩盐作为电池的负极。加州大学圣地亚哥分校研究小组的Haodong Liu称：“当人们将其作为负极时，该材料的电压需要为1.5V才能放电，但是，当我们观察这种负极材料在电压为1.5V时的结构时，认为这种材料有一种特殊的结构，可以容纳更多的锂离子。这意味着它可以作为负极在更低的电压下工作。”

在这项研究中,研究团队发现，他们的无序岩盐负极可以在0.6V的平均电压下，可逆循环两种锂离子。这要高于石墨负极的0.1V，在高充电速率下，取消锂金属电镀过程可以使电池更安全,但是，低于钛酸锂嵌锂时的电压——1.5V，因此可以存储更多的能量。

研究人员表明，Li3V2O5负极的充放电循环次数可超过6000次，而容量衰减可以忽略不计，并且可以快速充放电能，在20秒内提供超过40%的容量。由于独特的低能量屏障再分配嵌锂机制，所以电压低，而且能量传输速率高。

为了了解无序岩盐Li3V2O5负极为何可以良好运行，来自Shyue Ping Ong教授材料虚拟实验室的博士后学者Zhuoying Zhu进行了理论计算。他表示：“我们发现，Li3V2O5通过一种不同于其它电极材料的充电机制工作。由于锂离子以某种方式重新排列，所以电压低，而且锂迅速扩散。”

Ong表示：“我们相信，还有其它电极材料等着被发现，它们具有类似的机制。”