據(jù)報導(dǎo)，杭州亞運會期間的滬杭智慧高速公路交通將採用目前國際上最先進的無人智慧交通系統(tǒng)，基於此，我們可以想像以下基於5G技術(shù)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航和無線快速充電技術(shù)的未來交通的場景：
未來智慧交通想像圖
你坐在你的無人車裡，看著顯示幕型車窗上播放的最新大片，根本沒有感覺到你的智慧車已經(jīng)在智慧高速上行駛了4個多小時，你的智慧車正在接受衛(wèi)星導(dǎo)航信號，根據(jù)道路即時交通狀況不斷勻速轉(zhuǎn)換車道，並且已經(jīng)在連續(xù)和間斷無線快速充電後到達目的地，並且在提醒你車輛已經(jīng)支付了高速通行費、充電費、智慧導(dǎo)航資訊中心的服務(wù)費後駛出高速路，你的車輛提醒睡夢中的你是否切換為白天模式並有否興趣自己駕駛一會，並且看看你所到達目的地的城市風(fēng)景，並且順便確認(rèn)下一個即將到達的餐廳是否是你屬意的口味，當(dāng)然價格表和菜單已經(jīng)在顯示幕上啦。
你不用懷疑，這就是2030年你在錯過了高速列車後可以選擇的交通方式！
當(dāng)然這樣的交通方式依託核心關(guān)鍵技術(shù)之一就是快速無線充電電池！為了這個夢想，人類近年來在新能源領(lǐng)域，尤其是車用電池大功率、高續(xù)航能力、快速充電、長壽命和足夠穩(wěn)定的安全性等方面投入了極大的人力物力進行研究，力圖不斷取得突破，在目前鋰電池技術(shù)上不斷拓展，一邊使目前常見的新能源汽車真正有實質(zhì)性突破並引領(lǐng)未來智慧交通。
快速充電電池圖片
我們知道，和傳統(tǒng)電池比較，鋰離子電池由於開路電壓高、能量密度大、迴圈性能好等優(yōu)點得到日益廣泛的應(yīng)用。目前商業(yè)化使用的負(fù)極材料大多為石墨類負(fù)極材料，有很好的迴圈性能，但較低的理論容量（372mAh/g）逐漸不能滿足人們對高能量密度電池的需求。因此開發(fā)高容量負(fù)極材料已成為當(dāng)前的研究熱點，具有潛在實用價值的負(fù)極材料，主要包括合金反應(yīng)、轉(zhuǎn)化反應(yīng)材料以及鈦基材料，如合金材料矽、錫、鎢、鈮和過渡金屬氧化物等。
快速充電電池發(fā)展歷程和前瞻
鋰離子電池的負(fù)極材料主要作為儲鋰的主體，在充放電過程中實現(xiàn)鋰離子的嵌入和脫出。石墨電位0.1V vs Li+/Li，與電解質(zhì)形成在介面形成一層膜，並且容易形成鋰支晶，但是石墨由於層狀結(jié)構(gòu)，鋰離子嵌入嵌出過程引起較大形變（10.3%），導(dǎo)致迴圈性能不足Li+在石墨中的離子遷移速率較低，導(dǎo)致充放電較慢，也因此現(xiàn)在一般使用石墨作為負(fù)極，容量較低，首次充放電效率低，有機溶劑共嵌入等不足和缺陷。所以科學(xué)家和技術(shù)人員一直在孜孜以求地開發(fā)其他高容量的非碳負(fù)極材料。
最新的研究表明，電池充電的速度部分取決於正電粒子（稱為鋰離子）向負(fù)電極移動的速度，正電粒子之後儲存在負(fù)電極處。限制我們製造出快速充電的“超級”電池的一大因素便是鋰離子在陶瓷介質(zhì)中的移動速度。一種可能的解決方案是通過使用納米粒子來縮小每種物質(zhì)材料。但是納米粒子的造價非常昂貴並且製作工藝複雜。因此，科學(xué)家們一直在尋找替代性材料來規(guī)避這一問題。
鋰離子電池負(fù)極材料工作原理
最近新發(fā)現(xiàn)的一組材料可以實現(xiàn)電池快速充電，提高智慧手機在幾分鐘內(nèi)完全充電的可能性，並加速了電動汽車和太陽能等主要清潔科技（clean technologies，環(huán)?？萍迹┑耐度霊?yīng)用。劍橋大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)的通過被稱作是“鈮鎢氧化物”的材料，鋰離子可以實現(xiàn)超高速移動，意味著可以實現(xiàn)電池快速充電。
鈮鎢氧化物納米棒晶體
當(dāng)然鈮鎢氧化物並不是常見的鎢的氧化物和鎢酸鹽，其合成和工業(yè)化生產(chǎn)也又不曉得難度，較目前應(yīng)用較為廣泛的純鎢與氧化鎢、鎢酸鹽、偏鎢酸鹽、各類稀土摻雜鎢酸鹽，以及各類納米級鎢製品材料，根據(jù)差異參閱的國內(nèi)外專利檔，我們可以得知，摻鈮納米氧化鎢的製備方法較為特殊而困難，其特點是將濃度為0.2～0.3mol/L的六氯化鎢溶液4～10份，置於聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，加入二次蒸餾水12～20份，攪拌使其充分溶解；在上述溶液中加入濃度為0.05～0.1mol/L的五氯化鈮乙醇溶液1～10份、攪拌、混合、提純、結(jié)晶、再結(jié)晶、乾燥等連續(xù)工藝生產(chǎn)而成。儘管其成本價格較高，但是較之其已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)特點和改善鋰電池快速充電問題的優(yōu)勢，其開發(fā)和應(yīng)用前景值得期待。
鈮鎢氧化物鹽電鏡照片
在2018年7月25 日出版的《自然》雜誌上刊登了Kent J. Griffith, Kamila M. Wiaderek, Giannantonio Cibin, Lauren E. Marbella & Clare P. Grey 為作者的題為《Niobium tungsten oxides for high-rate lithium-ion energy storage》的文章詳細(xì)介紹了鈮鎢氧化物電池技術(shù)的發(fā)現(xiàn)和基本情況（Nature volume 559, pages556–563 (2018)。 “鈮鎢氧化物有著本質(zhì)上的不同?！逼涞谝蛔髡逰entGriffith說，“這種材料於1965年被首次發(fā)現(xiàn)，具有剛性的、開放的結(jié)構(gòu)，並且有著比其他常用電池材料更大的粒子尺寸?！?/p>
為了測量鋰離子在這些非同一般的介質(zhì)中的運動，研究人員使用類似于MRI掃描器中發(fā)現(xiàn)的技術(shù)。他們發(fā)現(xiàn)，鋰離子在這些材料中的移動速度要比傳統(tǒng)陶瓷電極材料快幾百倍。這些替代材料的另一優(yōu)點在於便宜且易於製造。Griffith說：“這些氧化物易於製造，不需要額外的化學(xué)品或溶劑?！眱?yōu)化的電池可以革新電動汽車以及太陽能格網(wǎng)儲存這兩大環(huán)保技術(shù)。
Wo-Ni 鈮鎢氧化物
這一研究的署名Clare Grey表示，下一步要做的就是優(yōu)化這一材料在整個電池中的使用，該電池可以在電動汽車所需的時間和裡數(shù)內(nèi)迴圈使用。Clare補充道，“舉例來說，人們在車站就能對電動公車進行快速充電。”
倫敦大學(xué)學(xué)院電化學(xué)工程教授Dan Brett雖然並未參與這項工作，但是仍然對這一發(fā)現(xiàn)表示了極大的讚賞，“這一發(fā)現(xiàn)是激動人心的，尤其是它對電池性能所做的改觀”，他說，“這項工作的真正聰明之處還在於可以洞察一種測量機制，得以測量鋰離子通過這一物質(zhì)所達到的移動速度?！?/p>
化學(xué)系教授和該論文的通訊作者Clare Grey說：“納米粒子的製備可能很棘手，這就是為什麼我們在尋找那些即使是微米級的粒子，但其自身具有我們所需要的特性的材料。這意味著不必去通過一個複雜的過程來製備它們，這樣可以降低成本。納米顆粒在實際應(yīng)用中也具有挑戰(zhàn)性，因為它們往往非常'蓬鬆'，因此很難將它們緊密地包在一起，這點對電池的體積能量密度是至關(guān)重要的?！?/p>
在目前的工作中使用的鈮鎢氧化物具有不捕捉鋰的剛性的開放結(jié)構(gòu)，並且比其他許多電極材料具有更大的顆粒尺寸。Griffith推測這些材料以前沒有受到重視的原因與它們複雜的原子排列有關(guān)，同時，他認(rèn)為結(jié)構(gòu)的複雜性和混合金屬的組成正是材料表現(xiàn)出獨特的運輸特性的原因。Griffith還補充說：“許多電池材料都是基於兩三個相同的晶體結(jié)構(gòu)，但是這些鈮鎢氧化物是完全不同的?！痹撗趸锉谎酢爸е备糸_，使鋰離子在三維空間中移動。他說“氧柱或剪切面使這些材料比其他電池化合物更堅硬，因此，加上它們的開放結(jié)構(gòu)意味著更多的鋰離子可以通過它們，而且速度更快?！?/p>
採用不易應(yīng)用於電極材料的脈衝場梯度(PFG)核磁共振波譜(NMR)技術(shù)，研究人員測量了鋰離子在氧化物中的運動，發(fā)現(xiàn)它們的速度比典型的電極材料高幾個數(shù)量級。目前大多數(shù)鋰離子電池的負(fù)極都是由具有很高能量密度的石墨製成的，但在高速充電時，往往會形成枝晶的鋰金屬纖維，這種纖維會產(chǎn)生短路，使電池易燃。
Griffith認(rèn)為：“許多納米粒子結(jié)構(gòu)需要多個步驟來合成，而最終只需要使用一點，因此可擴展性是一個真正的問題。但這些氧化物很容易製備，不需要額外的化學(xué)品或溶劑。除了鋰的高遷移率外，鈮鎢氧化物也易於製備”。“該技術(shù)還將進一步優(yōu)化這些材料，因此，我們可以期待，在未來，[電池]功率、能量和壽命都將得到新的改善。”
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