研究人员发现了一组能够制造更高功率电池的材料。剑桥大学研究人员采用了一种具有复杂晶体结构的材料，并发现锂离子通过这种材料的速度远远超过了通过典型电极材料的速度，这相当于一个快速充电电池。

虽然这些被称为铌钨氧化物的材料在典型循环速率下使用时不会产生更高的能量密度，但它们可用于快速充电应用领域。此外，它们的物理结构和化学行为使研究人员能够深入了解如何构建安全、超快速充电电池，并暗示下一代电池的解决方案可能来自非常规材料。该结果发表在《Nature》杂志上。

我们每天使用的许多技术除了电池之外每年都在变得更小，更快，更便宜。除了能在几分钟内完全充电的智能手机的可能性之外，制造更好的电池所带来的挑战阻碍了广泛采用电动汽车和太阳能电网规模存储这两种主要清洁技术。

剑桥大学化学系博士后研究员也是该论文第一作者Kent Griffith说：“我们一直在寻找具有高速电池性能的材料，这将导致更快的充电速度，并且还可以提供高功率输出。”

在最简单的电池形式中，电池由三个部分组成：一个正极、一个负极和一个电解质。当电池充电时，锂离子从正极中被释放出来，通过晶体结构和电解质移动到负极，并被储存在负极上。这个过程发生得越快，电池充电的速度就越快。

在寻找新电极材料的过程中，研究人员通常会尝试采用更小的粒子。Griffith说：“我们的想法是，如果你让锂离子移动的距离缩短，它会表现出更高的速率性能。但要用纳米颗粒制造出实用的电池是很困难的：电解质会产生大量不必要的化学反应，所以电池的寿命不会太长，而且制造成本也很高。”

化学系教授和该论文的通讯作者Clare Grey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。然而，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。

Grey说：“在高速率应用中，安全性比在任何操作环境下都更重要。在需要更安全的石墨替代品的快速充电应用中，寻找这些材料及其他可能性类似的材料绝对值得关注。”

除了锂的高迁移率外，铌钨氧化物也易于制备。Griffith说：“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。”

尽管氧化物具有优异的锂传输速率，但它们确实比一些电极材料具有更低的电池电压。然而，一定的工作电压有利于安全工作，并且高锂传输速率意味着当快速循环时，这些材料的实际（可用）能量密度仍然很高。

虽然这些氧化物可能只适用于某些特定的应用，Grey说重要的是要不断寻找新的化学物质和新材料。她说：“如果你不继续寻找新的化合物，该领域就会停滞不前。这些有趣的材料让我们对如何设计高速率电极材料有了很好的了解。”