UCSD科学家发现更安全快充电池的新阳极材料(图） | 美国华文网-圣地亚哥华文网-美国华人网-圣地亚哥华人-USChinesePress-SanDiegoChinesePress-ChineseMedia

加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的科学家们发现了一种新的阳极材料，它可以使锂离子电池在几分钟内安全充电数千次。这种被称为无序岩盐的新阳极是由地球上丰富的锂、钒和氧原子组成的，排列方式与普通厨房食盐相似，只是随意排列。它在需要高能量密度和高功率的商业应用中前景广阔，如电动汽车、吸尘器或电钻。

这项研究由纳米工程师在刘平教授和翁雪月教授的实验室共同领导，研究发现已于9月2日发表在《自然》杂志上。

手拿着这种新材料电池站在实验室仪器前的Ping Liu教授（左）和Shyue Ping Ong教授。

目前，两种材料被用作大多数商用锂离子电池的阳极，为手机、笔记本电脑和电动车等设备提供动力。最常见的一种是石墨阳极，它的能量密度极高，一个带有石墨阳极的锂离子电池可以为汽车提供数百英里的动力，而无需再充电。然而，对石墨阳极充电过快会导致火灾和爆炸，这是由于一种叫做锂金属电镀的工艺。更安全的替代品- 钛酸锂阳极电池，它可以快速充电，但会导致能量密度显著降低，这意味着电池需要更频繁地充电。

现在这种新型无序岩盐阳极Li3V2O5处于一个重要的中间地带：它比石墨更安全，但它提供的电池至少比钛酸锂多71%的能量。

“容量和能量会比石墨低一点，但它更快、更安全、寿命更长。与目前商业化的快速充电钛酸锂阳极相比，它的电压要低得多，因此能量密度大为提高，”刘平教授实验室的博士后、论文第一作者刘浩东说。“不需要牺牲太多的电池密度，我们就可以安全地充电。”

图像

无序岩盐Li3V2O5的晶体结构。红色的球代表O，蓝色的四面体代表四面体中的Li，绿色的八面体代表Li/V共享的八面体位置

为了将这一发现商业化，研究人员成立了一家名为Tyfast公司。由于Li3V2O5无序岩盐的特性，使其非常适合用于可轻松安排充电的设备中，因此这家初创公司的第一个市场将是电动公共汽车和电动工具。

刘教授实验室的研究人员计划继续开发这种锂钒氧化物阳极材料，同时优化其他电池组件，开发出一种商业上可行的全电池。

“很长一段时间以来，电池界一直在寻找一种正极材料，这种材料的工作电位刚好高于石墨，以实现安全、快速充电的锂离子电池。这种材料填补了一个重要的知识和应用空白，”刘平说。“我们对它的商业潜力感到兴奋，因为这种材料可以作为当今锂离子电池制造工艺的一种解决方案。”

为什么要试试这种材料？

六年前，研究人员首次将无序岩盐作为电池阴极进行实验。从那时起，人们做了很多工作来把这种材料变成一种高效的阴极。刘浩东说，加州大学圣地亚哥分校的研究小组基于预感决定将这种材料作为阳极进行测试。

刘说：“当人们把它用作阴极时，他们必须把这种材料放电到1.5伏。”。“但是当我们观察1.5伏的阴极材料的结构时，我们认为这种材料有一种特殊的结构，可能能够容纳更多的锂离子，这意味着它可以在更低的电压下作为阳极工作。”

在这项研究中，研究小组发现，他们无序的岩盐阳极可以在0.6V的平均电压下可逆地循环两个锂离子——比石墨的0.1V高——从而消除了高充电率下的金属锂镀层，这使得电池更安全，但低于钛酸锂嵌入锂的1.5V电压，因此储存了更多的能量。

研究人员表明，Li3V2O5阳极可以循环6000多个循环，容量衰减可以忽略不计，并且可以快速充放电能量，在20秒内提供超过40%的容量。低电压和高能量转移率是由于独特的低势垒锂插层机制。

博士后朱卓英是Shyue Ping Ong教授的材料虚拟实验室的一名博士后学者，他通过理论计算了解了无序岩盐Li3V2O5阳极为何能起到同样的作用。

“我们发现Li3V2O5通过一种不同于其他电极材料的充电机制来工作。锂离子以一种既能产生低电压又能快速扩散锂离子的方式进行自我重组。

题图为在Zoom 会议上该发现的作者们：从左上角顺时针方向依次为： Professor Ping Liu, Professor Shyue Ping Ong, Haodong Liu, Jun Lu, Professor Huolin Xin, and Zhuoying Zhu – 刘平教授、翁雪平教授、刘皓东、陆俊、辛霍林教授、朱卓英教授（驻中文姓名均为音译，欢迎来信联系纠正）

图文来源：加大圣地亚哥分校