锂离子电池材料突破快充壁垒

能源部橡树岭国家实验室和田纳西大学诺克斯维尔分校的研究人员发现了一种快速充电锂离子电池所需的关键材料。与商业相关的方法为提高电动汽车的充电速度开辟了一条潜在途径。

锂离子电池(LIB)在国家清洁能源技术组合中发挥着重要作用。大多数混合动力电动汽车和全电动汽车使用 LIB。这些可充电电池在可靠性和效率方面具有优势，因为它们比传统的铅酸电池可以存储更多的能量、更快的充电和更长的续航时间。然而，这项技术仍在发展中，需要取得根本性的进步才能满足优先事项，以提高电动汽车电池的成本、续航里程和充电时间。

“克服这些挑战将需要更有效的材料和可扩展到工业的合成方法的进步，”ORNL 企业研究员和通讯作者戴盛说。

发表在Advanced Energy Materials上的结果展示了一种通过使用可扩展合成方法实现的新型快速充电电池负极材料。该团队发现了一种新的钼-钨-铌酸盐化合物(MWNO)，具有快速充电和高效率的特点，有可能取代商业电池中的石墨。

几十年来，石墨一直是制造锂离子电池负极的最佳材料。在基本的电池设计中，两个固体电极——正极和负极——通过电解质溶液和隔膜连接。在 LIB 中，锂离子在阴极和阳极之间来回移动，以存储和释放为设备供电的能量。石墨阳极面临的一个挑战是在充电过程中电解质会分解并在阳极表面形成堆积物。这种积聚会减慢锂离子的运动，并会限制电池的稳定性和性能。

“由于这种缓慢的锂离子运动，石墨阳极被视为极速充电的障碍。我们正在寻找性能优于石墨的新型低成本材料，”ORNL 博士后研究员和第一作者陶润明说。能源部将电动汽车的极速充电目标设定为 15 分钟或更短，以与汽油动力汽车的加油时间竞争，这是石墨尚未达到的里程碑。

“我们的方法侧重于非石墨材料，但这些也有局限性。一些最有前途的材料——铌基氧化物——具有复杂的合成方法，不太适合工业，”陶说。

铌氧化物(如 MWNO)的常规合成是一种在明火上的能源密集型过程，也会产生有毒废物。一种实用的替代方案可以推动 MWNO 材料成为先进电池的重要候选材料。研究人员转向以安全和简单着称的成熟溶胶-凝胶工艺。与传统的高温合成不同，溶胶-凝胶工艺是将液体溶液转化为固体或凝胶材料的低温化学方法，通常用于制造玻璃和陶瓷。

该团队将离子液体和金属盐的混合物转化为多孔凝胶，并经过热处理以增强材料的最终性能。低能策略还使用作 MWNO 模板的离子液体溶剂能够被回收和循环利用。

“这种材料在比石墨更高的电压下工作，并且不容易形成所谓的‘钝化固体电解质层’，它会在充电过程中减缓锂离子的运动。其卓越的容量和快速充电速率，以及可扩展的合成方法，使其成为未来电池材料的有吸引力的候选者，”陶说。

该材料成功的关键是提供增强导电性的纳米多孔结构。结果为锂离子和电子的运动提供了较小的阻力，从而实现了快速充电。

“该研究实现了一种具有竞争力的 MWNO 材料的可扩展合成方法，并为未来设计用于各种储能设备的电极材料提供了基本见解，”戴说。

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