智能高速公路交通将采用铌钨氧化物快速充电锂电池新材料

据报道，杭州亚运会期间的沪杭智能高速公路交通将采用目前国际上最先进的无人智能交通系统，基于此，我们可以想象以下基于5G技术、北斗特种和无线快速充电技术的未来交通的场景：

你坐在你的无人车里，看着显示屏型车窗上播放的最新大片，根本没有感觉到你的智能车已经在智能高速上行驶了4个多小时，你的智能车正在接受特种信号，根据道路实时交通状况不断匀速转换车道，并且已经在连续和间断无线快速充电后到达目的地，并且在提醒你车辆已经支付了高速通行费、充电费、智能导航信息中心的服务费后驶出高速路，你的车辆提醒睡梦中的你是否切换为白天模式并有否兴趣自己驾驶一会，并且看看你所到达目的地的城市风景，并且顺便确认下一个即将到达的餐厅是否是你属意的口味，当然价格表和菜单已经在显示屏上啦。

你不用怀疑，这就是2030年你在错过了高速列车后可以选择的交通方式！

当然这样的交通方式依托核心关键技术之一就是快速无线充电电池！为了这个梦想，人类近年来在新能源领域，尤其是车用电池大功率、高续航能力、快速充电、长寿命和足够稳定的安全性等方面投入了极大的人力物力进行研究，力图不断取得突破，在目前锂电池技术上不断拓展，一边使目前常见的新能源汽车真正有实质性突破并引领未来智能交通。

我们知道，和传统电池比较，锂离子电池由于开路电压高、能量密度大、循环性能好等优点得到日益广泛的应用。目前商业化使用的负极材料大多为石墨类负极材料，有很好的循环性能，但较低的理论容量（372mAh/g），逐渐不能满足人们对高能量密度电池的需求。因此开发高容量负极材料已成为当前的研究热点，具有潜在实用价值的负极材料，主要包括合金反应、转化反应材料以及钛基材料，如合金材料硅、锡、钨、铌和过渡金属氧化物等。

锂离子电池的负极材料主要作为储锂的主体，在充放电过程中实现锂离子的嵌入和脱出。石墨电位0.1VvsLi+/Li，与电解质形成在界面形成一层膜，并且容易形成锂支晶，但是石墨由于层状结构，锂离子嵌入嵌出过程引起较大形变（10.3%），导致循环性能不足Li+在石墨中的离子迁移速率较低，导致充放电较慢，也因此现在一般使用石墨作为负极，容量较低，首次充放电效率低，有机溶剂共嵌入等不足和缺陷。所以科学家和技术人员一直在孜孜以求地开发其他高容量的非碳负极材料。

最新的研究表明，电池充电的速度部分取决于正电粒子（称为锂离子）向负电极移动的速度，正电粒子之后储存在负电极处。限制我们制造出快速充电的“超级”电池的一大因素便是锂离子在陶瓷介质中的移动速度。一种可能的解决方案是通过使用纳米粒子来缩小每种物质材料。但是纳米粒子的造价非常昂贵并且制作工艺复杂。因此，科学家们一直在寻找替代性材料来规避这一问题。

最近新发现的一组材料可以实现电池快速充电，提高智能手机在几分钟内完全充电的可能性，并加速了电动汽车和太阳能等主要清洁科技（cleantechnologies，环保科技）的投入应用。剑桥大学的研究人员发现的被通过称作是“铌钨氧化物”的材料锂离子可以实现超高速移动，意味着可以实现电池快速充电。

当然铌钨氧化物并不是常见的钨的氧化钨和钨酸盐，其合成核工业换生产也又不晓得难度，较目前应用较为广泛的纯钨与昂花雾、钨酸盐、偏钨酸盐、各类稀土掺杂钨酸盐，以及各类纳米级钨制品材料，根据差异参阅的国内外专利文件，我们可以得知，掺铌纳米氧化钨的制备方法较为特殊而困难，其特点是将浓度为0.2～0.3mol/L的六氯化钨溶液4～10份,置于聚四氟乙烯反应釜中，加入二次蒸馏水12～20份，搅拌使其充分溶解;在上述溶液中加入浓度为0.05～0.1mol/L的五氯化铌乙醇溶液1～10份、搅拌、混合、提纯、结晶、再结晶、干燥等连续工艺生产而成。尽管其成本价格较高，但是较之其已经被发现的结构特点和改善锂电池快速充电问题的优势，前开发和应用前景值得期待。

在2018年7月25日出版的《自然》杂志上刊登了KentJ.Griffith,KamilaM.Wiaderek,GiannantonioCibin,LaurenE.Marbella&ClareP.Grey为作者的题为《Niobiumtungstenoxidesforhigh-ratelithium-ionenergystorage》的文章详细介绍了鈮钨氧化物无电池技术的返现的基本情况（Naturevolume559,pages556–563(2018)。“铌钨氧化物有着本质上的不同。”其第一作者KentGriffith说，“这种材料于1965年被首次发现，具有刚性的、开放的结构，并且有着比其他常用电池材料更大的粒子尺寸。”

为了测量锂离子在这些非同一般的介质中的运动，研究人员使用类似于MRI扫描仪中发现的技术。他们发现，锂离子在这些材料中的移动速度要比传统陶瓷电极材料快几百倍。这些替代材料的另一优点在于便宜且易于制造。Griffith说：“这些氧化物易于制造，不需要额外的化学品或溶剂。”优化的电池可以革新电动汽车以及太阳能格网储存这两大环保技术。

这一研究的署名ClareGrey表示，下一步要做的就是优化这一材料在整个电池中的使用，该电池可以在电动汽车所需的时间和里数内循环使用。Clare补充道，“举例来说，人们在车站就能对电动公交车进行快速充电。”

伦敦大学电化学工程教授DanBrett虽然并未参与这项工作，但是仍然对这一发现表示了极大的赞赏，“这一发现是激动人心的，尤其是它对电池性能所做的改观”，他说，“这项工作的真正聪明之处还在于可以洞察一种测量机制，得以测量锂离子通过这一物质所达到的移动速度。”

化学系教授和该论文的通讯作者ClareGrey说：“纳米粒子的制备可能很棘手，这就是为什么我们在寻找那些即使是微米级的粒子，但其自身具有我们所需要的特性的材料。这意味着不必去通过一个复杂的过程来制备它们，这样可以降低成本。纳米颗粒在实际应用中也具有挑战性，因为它们往往非常‘蓬松’，因此很难将它们紧密地包在一起，这点对电池的体积能量密度是至关重要的。”

在目前的工作中使用的铌钨氧化物具有不捕捉锂的刚性的开放结构，并且比其他许多电极材料具有更大的颗粒尺寸。Griffith推测这些材料以前没有受到重视的原因与它们复杂的原子排列有关，同时，他认为结构的复杂性和混合金属的组成正是材料表现出独特的运输特性的原因。Griffith还补充说：“许多电池材料都是基于两三个相同的晶体结构，但是这些铌钨氧化物是完全不同的。”该氧化物被氧“支柱”隔开，使锂离子在三维空间中移动。他说“氧柱或剪切面使这些材料比其他电池化合物更坚硬，因此，加上它们的开放结构意味着更多的锂离子可以通过它们，而且速度更快。”

采用不易应用于电极材料的脉冲场梯度(PFG)核磁共振波谱(NMR)技术，研究人员测量了锂离子在氧化物中的运动，发现它们的速度比典型的电极材料高几个数量级。目前大多数锂离子电池的负极都是由具有很高能量密度的石墨制成的，但在高速充电时，往往会形成枝晶的锂金属纤维，这种纤维会产生短路，使电池易燃。

Griffith认为：“许多纳米粒子结构需要多个步骤来合成，而最终只需要使用一点，因此可扩展性是一个真正的问题。但这些氧化物很容易制备，不需要额外的化学品或溶剂。除了锂的高迁移率外，铌钨氧化物也易于制备”。“该技术还将进一步优化这些材料，因此，我们可以期待，在未来，电池功率、能量和寿命都将得到新的改善。”