研究人员发现了制造新型锂离子电池材料的创新方法

博伊西州立大学的研究人员开发了一种制造新型锂离子电池材料的新方法。从无定形(即缺乏长程有序的材料)氧化铌开始，研究小组发现，这种材料与锂循环的行为会导致转变为新型结晶 Nb 2 O 5负极，具有出色的锂存储和快速循环. 该工艺可用于制造其他锂离子电池材料，这些材料无法通过传统方式轻松制造。

该研究由博伊西州立大学材料科学与工程教授熊辉(Claire) Xiong和加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授Shyue Ping Ong实验室的研究人员共同领导，发表在《自然》杂志上材料。

锂离子电池新材料的发现变得更加紧迫。在汽油价格上涨的推动下，对电动汽车(EV) 的需求激增，随之而来的是对为其提供动力的锂离子电池的需求。然而，今天的锂离子电池仍然太贵，充电太慢。

“锂离子电池是可充电电池市场的领先技术，但对具有高能量和更快充电时间的电池的需求也在增加，”Pete Barnes 博士说。微米材料科学与工程学院熊氏电化学能源材料实验室的校友，该工作的第一作者。“如果你想为你的电动汽车充电 15 分钟，然后再上路行驶 200 或 300 英里，你需要能够以非常快的速度充电而不会造成太大性能损失的新电池电极。”

当今锂离子电池充电的最大瓶颈之一是阳极。最常见的阳极是由石墨制成的，它的能量非常密集，但由于锂金属电镀过程存在着火和爆炸的风险，因此不能太快充电。嵌入金属氧化物，如该团队发现的岩盐Nb 2 O 5材料，由于降低了在低压下镀锂的风险，是很有前景的负极替代品。

为了创造新的阳极材料，熊的团队开发了一种创新的新技术，称为电化学诱导的非晶态到晶体的转变。新电极在20 mA/g的充电速率下可实现269 mAh/g的高储锂，更重要的是在1 A/g的高充电速率下继续保持191 mAh/g的高容量。

“这项工作最令人兴奋的方面是发现了一种全新的方法来制造新型锂离子电池电极，”熊说。“诀窍是从更高能量的阶段开始，例如无定形材料。只需用锂循环材料，我们就可以创造出新的晶体排列，其表现出超越传统方法(如固态反应)的性能。”

阳极优异的倍率性能是由于其无序的岩盐或 DRX 结构，它类似于普通的食盐，但 Li 和 Nb 原子以随机方式排列。虽然 DRX 正极材料是众所周知的，但 DRX 负极相对较少。使用计算技术，Yunxing Zuo，博士。加州大学圣地亚哥分校 Ong 材料虚拟实验室的校友表明，将锂插入无定形 Nb 2 O 5的过程使材料科学家能够获得亚稳态材料。该团队还开发了一种指标来识别可能以类似方式合成的其他金属氧化物。计算还表明，DRX 结构包含快速锂扩散的路径，从而实现高倍率性能。

“我们相信这项工作仅仅是一种全新的材料合成思维方式的开始，”Ong 说。“原子喜欢以某种方式排列自己。当我们以传统方式制造材料时，我们通常会一次又一次地得到相同的排列方式。这种新方法为创造其他非常规金属氧化物开辟了一条有希望的途径。”

该团队还与 Drs 合作。来自阿贡国家实验室的 Sungsik Lee、Justin Connell、Hua Zhou 和 Yuzi Liu，教授。来自博伊西州立大学的 Paul Davis、Paul Simmonds 和 Darin Schwartz 博士，以及 Drs。来自太平洋西北国家实验室的杜英格和朱子华。

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