香港城大鋰電池材料專家 新研發(fā)材料具快速充放電能力
手機(jī)，已成為我們當(dāng)今生活不可或缺的物件。工作時(shí)候在看，回家路上在看，吃飯娛樂時(shí)也在看。睡前不刷一會(huì)兒手機(jī)或者無法入睡，睡醒第一時(shí)間也是找手機(jī)。手機(jī)幾乎處于24小時(shí)待命的狀態(tài)，因此每天至少要充一兩次電，隨身攜帶的充電寶儼然成為出門的標(biāo)配。手機(jī)充電時(shí)間能縮短，同時(shí)待機(jī)時(shí)間也增加，是不少“低頭一族”夢(mèng)寐以求的愿望。
事實(shí)上，除了手機(jī)，一些隨身電子產(chǎn)品如運(yùn)動(dòng)手表，甚至是電動(dòng)車，都對(duì)儲(chǔ)電量高、充電速度快的電池一直需求龐大。包括香港城市大學(xué)（香港城大）科研人員在內(nèi)的團(tuán)隊(duì)，近期便研發(fā)出一種具有快速充放電能力的鋰電池負(fù)極材料，有望將電動(dòng)車半小時(shí)的充電時(shí)間大幅縮短至三至六分鐘左右，而且材料充放電逾500次仍然保持98.7%的高容量，性能穩(wěn)定。研究人員相信這個(gè)研究成果具有很大的市場(chǎng)價(jià)值。
該種能快速充放電的鋰電池新材料，由香港城大物理學(xué)系助理教授劉奇博士的研究團(tuán)隊(duì)與內(nèi)地的科學(xué)家成功研發(fā)。他們的研究成果早前已在科學(xué)期刊《自然通訊》（Nature Communications）上發(fā)表，題為〈Boosting fast energy storage by synergistic engineering of carbon and deficiency〉。
用碳包裹晶粒 提高材料導(dǎo)電性
劉博士先剖析快速充電（fast charging）當(dāng)中的原理：“材料能快充的關(guān)鍵在于快速的電子傳輸（即高導(dǎo)電性），以及鋰離子能夠快速擴(kuò)散。我們研發(fā)的新材料就針對(duì)這兩點(diǎn)。”
研究團(tuán)隊(duì)首先利用可控的低溫工程技術(shù)，令他們研發(fā)的鈦鈮氧材料（Ti2Nb10O29, 以下簡(jiǎn)稱TNO）的每一顆晶粒的邊界，都均勻地被厚度可調(diào)整的碳包裹著。研究團(tuán)隊(duì)并就晶粒碳外層的厚度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示晶粒被3納米厚的碳包裹時(shí)具有最佳的效能。
TNO充電比石墨鋰電池材料更快
雖然晶粒被碳包裹，但是TNO的結(jié)構(gòu)并沒有被改變。此外，團(tuán)隊(duì)制備TNO的特殊方法亦為材料引入氧缺陷（oxygen deficiency）。劉博士解釋說：“氧缺陷可以提升材料的電子導(dǎo)電性，所以充電可以很快。”當(dāng)導(dǎo)電性提高，電子會(huì)快速轉(zhuǎn)移并產(chǎn)生熱能，不過劉博士表示，相關(guān)的熱能是可控的，不會(huì)影響材料的安全性。團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也顯示，鋰離子更容易在有氧缺陷的TNO中遷移。
由於電子轉(zhuǎn)移快速以及鋰離子能快速擴(kuò)散，令晶粒被3納米厚的碳所包裹的TNO具有快速充放電的能力。劉博士進(jìn)一步說："這種材料只需要充電三分鐘就能達(dá)到197 mAh g?1的高容量，非常快速，比一般已商業(yè)化的石墨鋰電池材料更快。"
鋰電池主要由正極、負(fù)極、電解液及隔離膜四大部分組成，透過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)電。劉博士指出，石墨是其中一種已經(jīng)被商業(yè)化的鋰電池負(fù)極材料，“但是石墨無法做到快充的效果。事實(shí)上，市場(chǎng)上暫時(shí)未有負(fù)極材料能夠快速充放電，我們研制的這款可快充的TNO負(fù)極材料以及相應(yīng)的機(jī)理和方法學(xué)研究，對(duì)于先進(jìn)電池材料的研發(fā)來說是一個(gè)突破”。他相信是次研究成果具有很大的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。
快速鋰電負(fù)極材料商業(yè)潛力巨大
劉博士指出，即使是慢充，這種特制的TNO理論上可以有超過400 mAh g?1的高容量，也比石墨高。他更說："電動(dòng)車如果運(yùn)用被碳包裹的TNO作為電池負(fù)極材料，半小時(shí)的充電時(shí)間有望大幅縮短至三至六分鐘左右。"
更重要的是，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示被3納米厚的碳所包裹的TNO的電極表現(xiàn)出優(yōu)異的耐用性能，在充放電超過500次后容量保持率為98.7%，性能穩(wěn)定。相比之下，沒有碳包裹的TNO，充放電逾500次后容量保持率只有85.9%。
劉博士指出，被碳所包裹的TNO最大的優(yōu)勢(shì)是可以快充，雖然它比另一種較常見的電池材料二氧化鈦（TiO2）昂貴，但結(jié)構(gòu)卻比二氧化鈦更穩(wěn)定。他又表示，團(tuán)隊(duì)所用的碳包裹和引入氧缺陷的材料制備方法，同樣適用于其他金屬氧化物負(fù)極材料，并形容是電化學(xué)儲(chǔ)能復(fù)合材料邊界碳設(shè)計(jì)的一種突破性方法。
針對(duì)負(fù)極材料的系列式論文發(fā)布
為了進(jìn)一步提升相關(guān)材料的性能，劉博士及其他研究人員繼續(xù)深入研究，最近便發(fā)現(xiàn)納米TNO通過螺旋陣列設(shè)計(jì)，并摻雜了金屬鉻離子后，可以改善電子和離子的傳導(dǎo)，使TNO晶體擁有更加開放的儲(chǔ)鋰結(jié)構(gòu)和更為豐富的儲(chǔ)鋰機(jī)制。材料同時(shí)擁有更高的電子電導(dǎo)以及更穩(wěn)定的電極結(jié)構(gòu)，因此全面提升了充放電速率和循環(huán)穩(wěn)定性。團(tuán)隊(duì)以〈Synergy of Ion Doping and Spiral Array Architecture on Ti2Nb10O29: A New Way to Achieve High‐Power Electrodes〉為題寫成論文總結(jié)研究成果，并于《Advanced Functional Materials》發(fā)表。劉博士是該論文的共同通訊作者之一，朱賀博士為論文共同第一作者。
另外，劉博士亦與廣東工業(yè)大學(xué)的李成超教授等研究人員合作，早前設(shè)計(jì)出一種溶液燃燒法，能快速合成另一款微米級(jí)的鈮基負(fù)極材料（Nb14W3O44）。相對(duì)于一般的納米化策略，微米級(jí)的電極材料更具商業(yè)實(shí)用性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，材料具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和快速充放電能力。同時(shí)，以這種材料作為負(fù)極與商業(yè)LiFePO4配對(duì)后，組裝的全電池可以穩(wěn)定循環(huán)1000圈。研究成果以〈Achieving Ultrahigh‐Rate and High‐Safety Li+ Storage Based on Interconnected Tunnel Structure in Micro‐Size Niobium Tungsten Oxides〉為題于《Advanced Materials》上發(fā)表。劉博士與李成超教授是該論文的共同通訊作者，朱賀博士為論文共同第一作者。
電池正極材料具更大商業(yè)價(jià)值
劉博士是鉆研鋰電池材料的專家，2018年至今已經(jīng)發(fā)表約30篇論文。雖然上述三項(xiàng)研究成果都是涉及負(fù)極材料，但其實(shí)劉博士最專長(zhǎng)的是正極材料。而他曾經(jīng)與華為合作，將最為普遍應(yīng)用的商業(yè)鈷酸鋰材料的容量提高，他形容為“具有非常高的商業(yè)價(jià)值”，因?yàn)椤罢龢O材料對(duì)制作電池更加有用”。他現(xiàn)正努力研究以下三款材料：三元高鎳正極材料、富鋰錳基正極材料以及高壓鈷酸鋰正極材料，希望早日取得重大成果。
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