高平纳米材料比块体材料的变压器充电锂离子蓄电池性能更优的原因是什么？

高平变压器充电锂离子蓄电池的输出以及短充电时间通常取决于离子和电子的传输，这其中，电化学活性颗粒里的离子扩散行为是限制高平变压器充电蓄电池的充放电速率的主要原因。为了优化缓慢的固态离子扩散从而实现快速充电的目标，目前主要的做法是将活性颗粒制备成多孔的纳米尺寸材料，但是与此同时材料的体积能量密度等参数也会收到严重的影响，材料的稳定性、可持续性以及制备成本均会限制高平变压器充电蓄电池的实际应用。

【成果简介】

近期，剑桥大学的Clare P. Grey（通讯作者）团队提出了利用微米级的铌钨氧化物材料（Nb16W5O55以及Nb18W16O93）来替代纳米颗粒同样可以显著优化高平变压器充电蓄电池性能。该研究证明了只要利用适当的主晶格适，材料的尺寸、结构甚至多孔性均不是实现http://lishi.tocso.com/高速充放电高平变压器充电蓄电池电极的必要性质。相反地，研究人员利用克级固态合成法制备的铌钨氧化物块体材料，可高效利用其超结构模块来稳定锂嵌入过程中的材料主体结构。因此这种材料不仅在锂离子扩散系数上优于传统的电极材料（Li4Ti5O12）数个数量级，同时还能保持优于纳米材料的高容量以及高锂存储性能。这一铌钨氧化物材料的出现打破了通过构造纳米电极材料来优化高平变压器充电蓄电池中离子扩散速率和电学性能的传统方法，为制备高性能高平变压器充电蓄电池提供了新的策略。2018年7月25日，相关成果以题为“Niobium tungsten oxides for high-rate lithium-ion energy storage”在线发表在Nature上。

【图文导读】

图1 Nb16W5O55以及Nb18W16O93的晶体结构和颗粒形貌


图2 Nb16W5O55以及Nb18W16O93的电化学表征

图3 Nb16W5O55以及Nb18W16O93的X射线吸收谱

图4 Nb16W5O55以及Nb18W16O93的非线性结构 演变

图5微米级 Nb16W5O55以及Nb18W16O93与纳米尺度材料的高平变压器充电蓄电池性能比较