相比于電動汽車的續(xù)航里程，人們更加擔(dān)心電動汽車的充電時間，盡管近年來推出的電動汽車大多數(shù)支持30-40min快充（充滿80%容量），但是仍然無法達到人們的預(yù)期。目前電動汽車上使用的動力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)主要集中在負極。充電過程中Li+從正極脫出，在電解液中發(fā)生溶劑化，然后擴散到負極表面，去溶劑化后嵌入的石墨負極的晶體結(jié)構(gòu)之中。在整個反應(yīng)過程中去溶劑化和Li+在石墨顆粒內(nèi)部的擴散成為了反應(yīng)速度的限制環(huán)節(jié)，在充電速度過快時，會導(dǎo)致極化增加，金屬Li在石墨負極的表面析出。

常規(guī)的提升負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)部的擴散距離，但是這也做也會帶來一系列的問題，例如納米化導(dǎo)致壓實密度降低，過大的比表面積導(dǎo)致的副反應(yīng)增多等。英國劍橋大學(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)如果采用Ni和W金屬氧化物搭建合適的三維晶體結(jié)構(gòu)，能夠在微米級尺寸下實現(xiàn)高倍率特性，實現(xiàn)同時兼顧高壓實密度和高倍率特性。

實驗中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個八面體組成一個結(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，對于Nb16W5O55材料，在2.5-1.0V之間共有三個反應(yīng)過程（下圖b），電壓平臺在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遠高于LTO材料，在C/5倍率下達到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到171mAh/g，即便是在20C（3min充滿）的高倍率下可逆容量仍然高達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)出了強大的實力，在10C倍率下循環(huán)250次后可逆容量仍然達到95%，隨后進行20C倍率750次循環(huán)后，電池的可逆容量保持率仍然高達95%。

不過在這里小編要說作者在這里其實用了一點點小技巧，就是在測試倍率性能時，充電過程中增加了恒壓充電過程，而在循環(huán)測試中作者又將恒壓充電過程去掉了，我們都知道恒壓充電對于增加電池的充電容量，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)，對于提升循環(huán)性能是有幫助的，看來外國人也是會耍小心機??！

Nb18W16O93材料的電化學(xué)測試結(jié)果同樣非常出色，其電壓平臺為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下可逆容量達到150mAh/g，在60C和100C倍率下可逆容量仍然達到105和70mAh/g，要好于Nb16W5O55材料。

優(yōu)異的倍率性能主要得益于兩種材料的高Li+擴散系數(shù)，從下表中能夠看到兩種材料的Li+的擴散系數(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），對比下表中不同擴散系數(shù)在不同倍率下Li+的最大擴散半徑可以看到，在60C倍率下，Nb16W5O55和Nb18W16O93中的Li+完全有足夠的時間在10um直徑的顆粒內(nèi)完成擴散，這表明即使在微米級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上都沒有優(yōu)勢，但是如果我們將壓實密度考慮在內(nèi)的話，我們就會發(fā)現(xiàn)兩種材料由于具有更高的壓實密度因此在單位體積內(nèi)能夠提供的容量方面就具有非常大的優(yōu)勢（如下圖所示），在1C倍率下，Nb16W5O55材料單位體積容量可達到550Ah/L，即便是在20C倍率下仍然可達350Ah/L，而Nb18W16O93材料在1C倍率下單位體積容量可達500Ah/L，在20C倍率下仍然可達400Ah/L，而石墨材料在1C倍率下的單位體積容量僅為100Ah/L左右，在20C倍率下幾乎沒有容量。這表明Nb16W5O55和Nb18W16O93兩種材料雖然在重量能量密度上無法與傳統(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，特別是在高倍率下，優(yōu)勢幾乎是壓倒性的。

KentJ.Griffith開發(fā)的Nb16W5O55和Nb18W16O93兩種材料具有非常高的Li+擴散系數(shù)，因此能夠在微米級尺寸上就實現(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上都不如傳統(tǒng)的石墨材料，但是高壓實密度的特性使得兩種材料在體積能量密度上表現(xiàn)出了對石墨材料的壓倒性優(yōu)勢，在未來快速充電動力電池的研發(fā)上，該材料具有廣闊的前景（前提是成本要降下來）。