隨著智能型產品的普及與成熟發展，消費者胃口也越來越大，快速充電功能已然成為智能型產品的重要賣點。近期英國劍橋大學則透過全新的電極材料，進一步提高鋰離子在電極的移動速度，未來有望成功研發出快充鋰電池。
鋰電池主要由正極、負極與電解質構成，鋰離子透過電解質在電極兩端遊移，當我們為電池充電時，鋰離子會從正極中離開，並穿過晶體結構與電解質移動到負極儲存，只要提高這一過程的速度，電池充電的速度就能加快。
目前的負極多是由石墨組成，雖然材料具有高能量密度，但如果以石墨材料發展快充技術，電極與電解質的交界就容易產生鋰晶枝，導致電池效能下降，甚至會因晶枝刺破隔離膜，造成電池內部短路起火進而爆炸。
因此為解決當前難題，英國劍橋大學不停在尋找替代材料，想要開發出更安全的快充電池。
通常在尋找新電極材料時，研究員都會嘗試讓材料粒子變小。英國劍橋大學化學系教授 Kent Griffith 表示，如果可以縮短鋰離子移動距離，倍率效能（rate performance）確實會更高，但要製造出含有納米粒子又可用的電池真的很難，這類電池的電解質會產生許多零碎的化學反應、縮短電池的壽命。
納米粒子製造成本不僅高，在電池應用上也具有挑戰性，劍橋大學化學系教授 Clare Grey 也補充，納米粒子性質滿蓬鬆（fluffy）的，很難去把它們緊密包覆，但這一步驟可說是電池體積能量密度關鍵部分，對電池容量相當重要。
尋覓成功材料的路途相當漫長，所幸現在劍橋團隊找到鈮鎢氧化物（niobium tungsten oxides），該材料具有剛性、開放性結構與複雜的原子排列，是個以往研究很少接觸到的氧化物。
目前許多電池材料都是由兩到三個晶體結構組成，但鈮鎢氧化物結構則截然不同。Griffith 表示，氧化物除了能利用氧氣的支柱（pillars）讓鋰離子以 3D 形
式穿梭，氧氣柱也可以讓材料比一般電池化合物更加堅硬，再加上材料本身的開放性結構，可讓更多鋰離子穿過材料，離子移動速度也會進一步加快。
為了證明材料確實有效，研究還透過脈衝磁場梯度（Pulsed field gradient，PFG）核磁共振技術技術來測量鋰離子游移的速度，並發現與一般電極材料相比，採用鈮鎢氧化物後鋰離子移動速度快好幾倍。
除此之外，鈮鎢氧化物還具有一大優勢：製造方式相當簡單。不像粒子需要多項步驟、最後僅得出少少的材料，鈮鎢氧化物不需要額外的化學品或是溶劑就可製成。
只是該材料也不是毫無缺點，雖然鈮鎢氧化物電極具有優異的鋰傳輸速度，但這也讓電池電壓會比一般的還要低。不過這也同時保證電池的安全性與壽命，鋰離子流動速度快也代表著鈮鎢氧化物為高能量密度材料，應用潛力依然很高。
未來團隊還是會持續開發新材料，Gray 表示，假如不繼續尋求新的可能性，這項技術就會停滯不前，且這些有趣的材料也能讓團隊更瞭解如何設計高效電極材料。目前研究已發表在《Nature》。
Source：EnergyTrend
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