剑桥大学解决电动汽车充电慢的问题给出全新解决方案

相比于电动汽车的续航里程，人们更加担心电动汽车的充电时间，尽管近年来推出的电动汽车大多数支持30-40min快充（充满80%容量），但是仍然无法达到人们的预期。目前电动汽车上使用的动力电池基本上为锂离子电池，锂离子电池充电速度限制环节主要集中在负极。充电过程中Li+从正极脱出，在电解液中发生溶剂化，然后扩散到负极表面，去溶剂化后嵌入的石墨负极的晶体结构之中。在整个反应过程中去溶剂化和Li+在石墨颗粒内部的扩散成为了反应速度的限制环节，在充电速度过快时，会导致极化增加，金属Li在石墨负极的表面析出。

常规的提升负极材料倍率性能的方法是纳米化，提高活性物质与电解液的接触面积，减少Li+在活性物质内部的扩散距离，但是这也做也会带来一系列的问题，例如纳米化导致压实密度降低，过大的比表面积导致的副反应增多等。英国剑桥大学的KentJ.

Griffith（第一作者）和ClareP.Grey（通讯作者）突破传统思维的局限，从晶体结构入手，发现如果采用Ni和W金属氧化物搭建合适的三维晶体结构，能够在微米级尺寸下实现高倍率特性，实现同时兼顾高压实密度和高倍率特性。

实验中KentJ.Griffith利用Nb和W的氧化物分别合成了Nb16W5O55（如上图a-c所示）和Nb18W16O93（如上图d-f所示），其中Nb16W5O55为单斜晶系结构，晶体中由共角八面体组成，每4x5个八面体组成一个结构单元，如上图a所示。而Nb18W16O93材料为正交晶系，结构如上图d所示。两种材料在不同倍率下的充放电曲线如下图所示，对于Nb16W5O55材料，在2.5-1.0V之间共有三个反应过程（下图b），电压平台在1.55V左右，与Li4Ti5O12材料（1.55V）比较接近，但是Nb16W5O55材料的可逆容量却要远远高于LTO材料，在C/5倍率下达到225mAh/g，而且Nb16W5O55材料也同样表现出了优异的倍率性能，将充电倍率提高到5C（12min充满）可逆容量仍然可以达到171mAh/g，即便是在20C（3min充满）的高倍率下可逆容量仍然高达148mAh/g。Nb16W5O55材料不仅仅在倍率性能上表现出色，在循环性能上更表现出了强大的实力，在10C倍率下循环250次后可逆容量仍然达到95%，随后进行20C倍率750次循环后，电池的可逆容量保持率仍然高达95%。

不过在这里小编要说作者在这里其实用了一点点小技巧，就是在测试倍率性能时，充电过程中增加了恒压充电过程，而在循环测试中作者又将恒压充电过程去掉了，我们都知道恒压充电对于增加电池的充电容量，特别是在高充电倍率下的充电容量是非常重要的，因此作者的倍率测试结果才能如此优异，而循环中去掉恒压充电相当于降低了电池的SoC状态，对于提升循环性能是有帮助的，看来外国人也是会耍小心机啊！

Nb18W16O93材料的电化学测试结果同样非常出色，其电压平台为1.67V，在C/5和1C倍率下，由于Nb18W16O93摩尔重量比较大，因此克容量发挥要比Nb16W5O55材料低20mAh/g，但是在较高的倍率下Nb18W16O93材料表现优异，在20C下可逆容量达到150mAh/g，在60C和100C倍率下可逆容量仍然达到105和70mAh/g，要好于Nb16W5O55材料。

优异的倍率性能主要得益于两种材料的高Li+扩散系数，从下表中能够看到两种材料的Li+的扩散系数为10-12-10-13m2/s左右，这甚至要高于以快速充电著称的钛酸锂类材料（10-16-10-15），对比下表中不同扩散系数在不同倍率下Li+的最大扩散半径可以看到，在60C倍率下，Nb16W5O55和Nb18W16O93中的Li+完全有足够的时间在10um直径的颗粒内完成扩散，这表明即使在微米级尺寸下两种材料仍然能够实现超高的充电速度。

虽然相比于相比传统的石墨材料，Nb16W5O55和Nb18W16O93两种材料在克容量和电压平台上都没有优势，但是如果我们将压实密度考虑在内的话，我们就会发现两种材料由于具有更高的压实密度因此在单位体积内能够提供的容量方面就具有非常大的优势（如下图所示），在1C倍率下，Nb16W5O55材料单位体积容量可达到550Ah/L，即便是在20C倍率下仍然可达350Ah/L，而Nb18W16O93材料在1C倍率下单位体积容量可达500Ah/L，在20C倍率下仍然可达400Ah/L，而石墨材料在1C倍率下的单位体积容量仅为100Ah/L左右，在20C倍率下几乎没有容量。这表明Nb16W5O55和Nb18W16O93两种材料虽然在重量能量密度上无法与传统的石墨类材料相匹敌，但是在体积能量密度上却具有巨大的优势，特别是在高倍率下，优势几乎是压倒性的。

KentJ.Griffith开发的Nb16W5O55和Nb18W16O93两种材料具有非常高的Li+扩散系数，因此能够在微米级尺寸上就实现优异的倍率性能，虽然这两种材料在重量比容量上和电压平台上都不如传统的石墨材料，但是高压实密度的特性使得两种材料在体积能量密度上表现出了对石墨材料的压倒性优势，在未来快速充电动力电池的研发上，该材料具有广阔的前景（前提是成本要降下来）。