相比于電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，人們更加擔(dān)心電動(dòng)汽車的充電時(shí)間，盡管近年來(lái)推出的電動(dòng)汽車大多數(shù)支持30-40min快充（充滿80%容量），但是仍然無(wú)法達(dá)到人們的預(yù)期。目前電動(dòng)汽車上使用的動(dòng)力鋰電池基本上為鋰離子電池，鋰離子電池充電速度限制環(huán)節(jié)重要集中在負(fù)極。充電過(guò)程中Li+從正極脫出，在電解液中發(fā)生溶劑化，然后擴(kuò)散到負(fù)極表面，去溶劑化后嵌入的石墨負(fù)極的晶體結(jié)構(gòu)之中。在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中去溶劑化和Li+在石墨顆粒內(nèi)部的擴(kuò)散成為了反應(yīng)速度的限制環(huán)節(jié)，在充電速度過(guò)快時(shí)，會(huì)導(dǎo)致極化新增，金屬Li在石墨負(fù)極的表面析出。

常規(guī)的提升負(fù)極材料倍率性能的方法是納米化，提高活性物質(zhì)與電解液的接觸面積，減少Li+在活性物質(zhì)內(nèi)部的擴(kuò)散距離，但是這也做也會(huì)帶來(lái)一系列的問(wèn)題，例如納米化導(dǎo)致壓實(shí)密度降低，過(guò)大的比表面積導(dǎo)致的副反應(yīng)增多等。英國(guó)劍橋大學(xué)的KentJ.

Griffith（第一作者）和ClareP.Grey（通訊作者）突破傳統(tǒng)思維的局限，從晶體結(jié)構(gòu)入手，發(fā)現(xiàn)假如采用Ni和W金屬氧化物搭建合適的三維晶體結(jié)構(gòu)，能夠在微米級(jí)尺寸下實(shí)現(xiàn)高倍率特性，實(shí)現(xiàn)同時(shí)兼顧高壓實(shí)密度和高倍率特性。

實(shí)驗(yàn)中KentJ.Griffith利用Nb和W的氧化物分別合成了Nb16W5O55（如上圖a-c所示）和Nb18W16O93（如上圖d-f所示），其中Nb16W5O55為單斜晶系結(jié)構(gòu)，晶體中由共角八面體組成，每4x5個(gè)八面體組成一個(gè)結(jié)構(gòu)單元，如上圖a所示。而Nb18W16O93材料為正交晶系，結(jié)構(gòu)如上圖d所示。兩種材料在不同倍率下的充放電曲線如下圖所示，關(guān)于Nb16W5O55材料，在2.5-1.0V之間共有三個(gè)反應(yīng)過(guò)程（下圖b），電壓平臺(tái)在1.55V左右，與Li4Ti5O12材料（1.55V）比較接近，但是Nb16W5O55材料的可逆容量卻要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于LTO材料，在C/5倍率下達(dá)到225mAh/g，而且Nb16W5O55材料也同樣表現(xiàn)出了優(yōu)異的倍率性能，將充電倍率提高到5C（12min充滿）可逆容量仍然可以達(dá)到171mAh/g，即便是在20C（3min充滿）的高倍率下可逆容量仍然高達(dá)148mAh/g。Nb16W5O55材料不僅僅在倍率性能上表現(xiàn)出色，在循環(huán)性能上更表現(xiàn)出了強(qiáng)大的實(shí)力，在10C倍率下循環(huán)250次后可逆容量仍然達(dá)到95%，隨后進(jìn)行20C倍率750次循環(huán)后，電池的可逆容量保持率仍然高達(dá)95%。

不過(guò)在這里小編要說(shuō)作者在這里其實(shí)用了一點(diǎn)點(diǎn)小技巧，就是在測(cè)試倍率性能時(shí)，充電過(guò)程中新增了恒壓充電過(guò)程，而在循環(huán)測(cè)試中作者又將恒壓充電過(guò)程去掉了，我們都了解恒壓充電關(guān)于新增電池的充電容量，特別是在高充電倍率下的充電容量是非常重要的，因此作者的倍率測(cè)試結(jié)果才能如此優(yōu)異，而循環(huán)中去掉恒壓充電相當(dāng)于降低了電池的SoC狀態(tài)，關(guān)于提升循環(huán)性能是有幫助的，看來(lái)外國(guó)人也是會(huì)耍小心機(jī)??！

Nb18W16O93材料的電化學(xué)測(cè)試結(jié)果同樣非常出色，其電壓平臺(tái)為1.67V，在C/5和1C倍率下，由于Nb18W16O93摩爾重量比較大，因此克容量發(fā)揮要比Nb16W5O55材料低20mAh/g，但是在較高的倍率下Nb18W16O93材料表現(xiàn)優(yōu)異，在20C下可逆容量達(dá)到150mAh/g，在60C和100C倍率下可逆容量仍然達(dá)到105和70mAh/g，要好于Nb16W5O55材料。

優(yōu)異的倍率性能重要得益于兩種材料的高Li+擴(kuò)散系數(shù)，從下表中能夠看到兩種材料的Li+的擴(kuò)散系數(shù)為10-12-10-13m2/s左右，這甚至要高于以快速充電著稱的鈦酸鋰類材料（10-16-10-15），比較下表中不同擴(kuò)散系數(shù)在不同倍率下Li+的最大擴(kuò)散半徑可以看到，在60C倍率下，Nb16W5O55和Nb18W16O93中的Li+完全有足夠的時(shí)間在10um直徑的顆粒內(nèi)完成擴(kuò)散，這表明即使在微米級(jí)尺寸下兩種材料仍然能夠?qū)崿F(xiàn)超高的充電速度。

雖然相比于相比傳統(tǒng)的石墨材料，Nb16W5O55和Nb18W16O93兩種材料在克容量和電壓平臺(tái)上都沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，但是假如我們將壓實(shí)密度考慮在內(nèi)的話，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)兩種材料由于具有更高的壓實(shí)密度因此在單位體積內(nèi)能夠供應(yīng)的容量方面就具有非常大的優(yōu)勢(shì)（如下圖所示），在1C倍率下，Nb16W5O55材料單位體積容量可達(dá)到550Ah/L，即便是在20C倍率下仍然可達(dá)350Ah/L，而Nb18W16O93材料在1C倍率下單位體積容量可達(dá)500Ah/L，在20C倍率下仍然可達(dá)400Ah/L，而石墨材料在1C倍率下的單位體積容量?jī)H為100Ah/L左右，在20C倍率下幾乎沒(méi)有容量。這表明Nb16W5O55和Nb18W16O93兩種材料雖然在重量能量密度上無(wú)法與傳統(tǒng)的石墨類材料相匹敵，但是在體積能量密度上卻具有巨大的優(yōu)勢(shì)，特別是在高倍率下，優(yōu)勢(shì)幾乎是壓倒性的。

KentJ.Griffith開(kāi)發(fā)的Nb16W5O55和Nb18W16O93兩種材料具有非常高的Li+擴(kuò)散系數(shù)，因此能夠在微米級(jí)尺寸上就實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的倍率性能，雖然這兩種材料在重量比容量上和電壓平臺(tái)上都不如傳統(tǒng)的石墨材料，但是高壓實(shí)密度的特性使得兩種材料在體積能量密度上表現(xiàn)出了對(duì)石墨材料的壓倒性優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)快速充電動(dòng)力鋰電池的研發(fā)上，該材料具有廣闊的前景（前提是成本要降下來(lái)）。