研究：无序岩盐材料可以让充电电池变得更快更安全

为什么电池充满电需要这么长的时间，即使是那些用于手机和笔记本电脑等小型设备的电池也是如此？主要原因是设备及其充电器的设计使得可充电锂离子电池只能以较慢的受控速率充电。这是一种安全功能，有助于防止火灾甚至爆炸，因为微小的、坚硬的树状结构--被称为树突--可以生长在锂电池内部，当快速充电时会引发电池内部短路。

为了解决对更实用的锂离子电池的需求，来自加州大学圣地亚哥分校的研究人员跟橡树岭国家实验室(ORNL)的科学家合作，他们在一种新型材料上进行中子散射实验，这种材料可以用来制造更安全、充电更快的电池。

题为《A disordered rock salt anode for fast-charging lithium-ion batteries》的相关研究报告已发表在《自然》上。

“制造锂离子电池阳极最常用的两种材料是石墨--它能提供高能量密度，但在某些情况下会引发火灾，以及钛酸锂--能快速充电，不太可能引起火灾但储能能力较低，”这项研究的论文第一作者Haodong Liu说道，“我们开发的无序岩盐材料结合了两种理想的特性--它更安全、充电更快且具有更高的能量密度。”

这种材料在许多电池应用中表现出了理想的性能，如电动汽车和电动工具，包括能量存储和放电速度。

在测试中，岩盐阳极材料能在短短20秒内提供超40%的能量容量。快速充放电之所以成为可能是因为岩盐材料可以在其晶体结构内的空位内循环两个锂离子。

“在ORNL使用中子衍射技术使我们能理解当我们对材料施加电压时离子的行为，”Liu说道，“中子可以很容易地跟踪岩盐阳极内的锂离子和氧原子，并使用ORNL的散裂中子源(SNS)的VULCAN仪器提供了我们所需的高中子通量和分辨率。”

VULCAN是为中子研究变形、相变、残余应力、织构和工程材料的微观结构而设计。装载框架、熔炉、电池循环器和其他用于现场试验、稳态或时间解析测量的辅助设备都跟该仪器集成在一起。

“VULCAN是世界上研究工程材料的顶级中子散射仪器，”ORNL的中子散射科学家Ke An说道，“它的开放式设计允许测试大样本，甚至是正常运转的机械设备如运行中的内燃机，并观察它们的内部特性。该仪器为电池材料合成过程中的储能研究及其在工作电池中的行为提供了重要的科学信息。”

研究人员表明，岩盐阳极可以循环超10000次，容量衰减可以忽略不计。这种持久性对于消费者应用程序非常重要。

Liu说道：“这项研究是我们研究小组和ORNL长期合作的一部分，（截止目前）已经发表了20多篇同行评审的期刊论文。ORNL的中子科学理事会的工作人员跟我还有我的同事密切合作以此来帮助我们了解中子的能力，另外他们还教授我们如何使用仪器进行实验和解释数据。”

研究人员还在加州大学欧文分校和能源部的布鲁克海文国家实验室进行了高分辨率显微镜研究以解决结构变化。

一旦这些实验和ORNL的实验完成，阿贡国家实验室的科学家及能源部劳伦斯伯克利国家实验室的科学家将展开X射线衍射和X射线吸收研究，进而揭示材料在充放电过程中的晶体结构变化和电荷补偿机制。

像大多数用户一样，加州大学圣地亚哥分校保留其对数据和实验过程中产生的任何知识产权的权利。为了将他们的发现商业化，这所大学随后跟其研究人员合作成立了一家名为Tyfast的公司，该公司计划首先瞄准电动公交车和电动工具市场。