Forskare har identifierat en grupp material som kan användas för att göra batterier med ännu högre effekt. Forskarna, från University of Cambridge, använde material med en komplex kristallin struktur och fann att litiumjoner rör sig genom dem med hastigheter som vida överstiger de för typiska elektrodmaterial, vilket motsvarar ett mycket snabbare laddningsbatteri.

Även om dessa material, känd som niob volframoxider, resulterar inte i högre energitätheter när de används under typiska cyklingshastigheter, de kommer till sin rätt för snabbladdningsapplikationer. Dessutom, deras fysiska struktur och kemiska beteende ger forskarna en värdefull insikt i hur en säker, supersnabbladdningsbatteri kan konstrueras, och föreslår att lösningen på nästa generations batterier kan komma från okonventionella material. Resultaten redovisas i tidskriften Natur .

Många av de tekniker vi använder varje dag har blivit mindre, snabbare och billigare varje år — med det anmärkningsvärda undantaget för batterier. Förutom möjligheten till en smartphone som kan laddas helt på några minuter, utmaningarna förknippade med att göra ett bättre batteri håller tillbaka den utbredda användningen av två stora rena tekniker:elbilar och nätlagring för solenergi.

"Vi letar alltid efter material med hög batteriprestanda, vilket skulle resultera i en mycket snabbare laddning och även skulle kunna leverera hög effekt, " sa Dr Kent Griffith, en postdoktor vid Cambridges Department of Chemistry och tidningens första författare.

I sin enklaste form, batterier är gjorda av tre komponenter:en positiv elektrod, en negativ elektrod och en elektrolyt. När ett batteri laddas, litiumjoner extraheras från den positiva elektroden och rör sig genom kristallstrukturen och elektrolyten till den negativa elektroden, där de förvaras. Ju snabbare denna process sker, desto snabbare kan batteriet laddas.

I sökandet efter nya elektrodmaterial, forskare försöker normalt göra partiklarna mindre. "Tanken är att om du gör avståndet som litiumjonerna måste resa kortare, det borde ge dig högre prestanda, ", sa Griffith. "Men det är svårt att göra ett praktiskt batteri med nanopartiklar:du får mycket fler oönskade kemiska reaktioner med elektrolyten, så att batteriet inte räcker lika länge, plus att det är dyrt att göra."

"Nanopartiklar kan vara knepiga att tillverka, det är därför vi söker efter material som i sig har de egenskaper vi letar efter även när de används som jämförelsevis stora partiklar i mikron. Detta innebär att du inte behöver gå igenom en komplicerad process för att göra dem, som håller kostnaderna nere, sade professor Clare Grey, även från Institutionen för kemi och tidningens seniorförfattare. "Nanopartiklar är också utmanande att arbeta med på en praktisk nivå, eftersom de tenderar att vara ganska "fluffiga", så det är svårt att packa dem tätt ihop, vilket är nyckeln till ett batteris volymetriska energitäthet."

Niobvolframoxiderna som används i det aktuella arbetet har en styv, öppen struktur som inte fångar det insatta litiumet, och har större partikelstorlekar än många andra elektrodmaterial. Griffith spekulerar att anledningen till att dessa material inte har fått uppmärksamhet tidigare är relaterad till deras komplexa atomarrangemang. Dock, han menar att den strukturella komplexiteten och den blandade metallsammansättningen är själva anledningen till att materialen uppvisar unika transportegenskaper.

"Många batterimaterial är baserade på samma två eller tre kristallstrukturer, men dessa niobvolframoxider är fundamentalt olika, " sa Griffith. Oxiderna hålls öppna av "pelare" av syre, vilket gör att litiumjoner kan röra sig genom dem i tre dimensioner. "Syrepelarna, eller skjuvplan, göra dessa material styvare än andra batteriblandningar, så att, plus att deras öppna strukturer gör att fler litiumjoner kan röra sig genom dem, och mycket snabbare."

Med hjälp av en teknik som kallas pulserad fältgradient (PFG) kärnmagnetisk resonans (NMR) spektroskopi, som inte lätt appliceras på batterielektrodmaterial, forskarna mätte rörelsen av litiumjoner genom oxiderna, och fann att de rörde sig med hastigheter flera storleksordningar högre än typiska elektrodmaterial.

De flesta negativa elektroder i nuvarande litiumjonbatterier är gjorda av grafit, som har en hög energitäthet, men när de laddas till höga priser, tenderar att bilda spinniga litiummetallfibrer som kallas dendriter, vilket kan skapa en kortslutning och få batterierna att fatta eld och eventuellt explodera.

"I höghastighetsapplikationer, säkerhet är ett större problem än under några andra driftsförhållanden, " sa Grey. "Dessa material, och potentiellt andra som dem, skulle definitivt vara värt att titta på för snabbladdningsapplikationer där du behöver ett säkrare alternativ till grafit."

Förutom deras höga transporthastigheter för litium, volframoxiderna av niob är också enkla att tillverka. "Många av nanopartikelstrukturerna tar flera steg för att syntetisera, och du får bara en liten mängd material, så skalbarhet är ett verkligt problem, sade Griffith. "Men dessa oxider är så lätta att göra, och kräver inga ytterligare kemikalier eller lösningsmedel."

Även om oxiderna har utmärkta litiumtransporthastigheter, de leder till en lägre cellspänning än vissa elektrodmaterial. Dock, driftspänningen är fördelaktig för säkerheten och de höga litiumtransporthastigheterna gör att när man cyklar snabbt, den praktiska (användbara) energitätheten för dessa material är fortfarande hög.

Även om oxiderna kanske bara är lämpade för vissa applikationer, Gray säger att det viktiga är att fortsätta leta efter ny kemi och nya material. "Fält stagnerar om du inte fortsätter leta efter nya föreningar, " säger hon. "Dessa intressanta material ger oss en bra inblick i hur vi kan designa elektrodmaterial med högre hastighet."