五氧化二铌电极材料可在使用过程中发生变化以加速充电

在 2022 年 5 月 2 日发表于《自然材料》期刊上的一篇文章中，博伊西州立大学（Boise State University）与加州大学圣迭戈分校（UCSD）的科学家们，展示了一种新颖且独特的电极材料。通过一种非同寻常的形成方式，它能够促进锂电池更快地充电 —— 在充电过程中运用原子的最佳配置，从而更顺畅地传输锂离子。

五氧化二铌（Niobium Pentoxide）原子的重排（来自：Argonne）

研究人员们看到了当前锂电池设计中的致命弱电，因而决定着手改良。据悉，随着充放电循环的进行，锂离子会在两极之间发生移动、但只能达到一定的速度。

研究配图 1 - 制备的 NCNO 表征

在更快的充电速度下，锂金属会堆积在石墨阳极的表面 —— 不仅损害电池的性能，还可能导致短路、过热、甚至起火。

研究配图 2 - 电化学循环中的电压曲线和微分容量

为了消除被称作“锂电镀”（lithium plating）的这一障碍，该团队想到了借助五氧化二铌、以提升电池的充电速度。

研究配图 3 - 电化学循环不同阶段的 SAED 和高分辨率 TEM 图像

据悉，五氧化二铌中的原子，可以很轻松地排列成诸多稳定的构型。巧的是，科学家们偶然发现了一种相当便捷的途径。

研究配图 4 - RS-五氧化二铌中的 Nb 氧化态表征

作为纽扣电池的阳极，五氧化二铌从一开始就具有凌乱、无序的原子排列。但在经历了多次充放电后，这些原子又会自行排列成有序的晶体结构。

研究配图 5 - 样品的电化学性能与计算出的迁移势垒

科学家们将这种前所未见的纳米结构称作“立方岩盐”框架（cubic rock-salt framework），它可在电池充电时更容易地将锂离子传输到阳极。

研究配图 6 - 样品的电导率表征

实验表明，新方案可在高速充电时具有“极好的”循环稳定性。电池在 200 mAg ¹ 的 400 次循环后，仍具有 225 mAg ¹ 的容量 —— 昆仑效率高达 99.93% 。

（来自：Nature Materials）

展望未来，科学家们希望借助这套方法来开发其它创新的电池材料、甚至是用于半导体等其它领域的独立材料。