18 秒就能充滿電？！再也不用擔(dān)心出門手機(jī)沒電了……

以電池為能量來(lái)源的手機(jī)、電腦、平板等已經(jīng)成了我們生活的一部分，越來(lái)越多的人開始患上“電量焦慮癥”，同時(shí)，新能源汽車的加速普及也讓人們對(duì)充電耗時(shí)長(zhǎng)的電池越來(lái)越難以忍受——快點(diǎn)！電池充得再快一點(diǎn)！這成了所有人共同的心愿。

【資料圖】

電量焦慮成了這個(gè)時(shí)代焦慮來(lái)源之一。圖庫(kù)版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛

這個(gè)心愿可能很快就要實(shí)現(xiàn)了。最近，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室教授宋禮團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種具有快充能力的電池。

今天我們就來(lái)仔細(xì)地聊一聊這項(xiàng)科研成果。

鋅離子電池 VS 鋰離子電池

鋰離子電池是目前大家所廣泛認(rèn)識(shí)的一種儲(chǔ)能器件。憑借能量密度高、工作溫度范圍廣等優(yōu)勢(shì)，鋰離子電池已占據(jù)商業(yè)化電池中絕大部分份額。但是，其中所使用的有機(jī)電解液對(duì)人體有一定危害，而且鋰資源短缺的問題會(huì)導(dǎo)致電池市場(chǎng)在未來(lái)出現(xiàn)供不應(yīng)求的狀況。

而鋅離子電池作為儲(chǔ)能界的新秀，既具有較高的理論能量密度，還具有無(wú)毒性的水系電解液，保證了安全、高效的生產(chǎn)與應(yīng)用。另外，廉價(jià)且豐富的鋅資源也大大降低了電池的使用成本，有望在未來(lái)成為鋰離子電池的潛在替代品。

即便在材料的使用上有諸多不同，但鋅離子電池和鋰離子電池在充放電過程的工作狀態(tài)卻是很類似的。

電池的正極材料往往是層狀的：在電池的放電過程中，鋰離子（或鋅離子）將嵌入正極材料的層間進(jìn)行儲(chǔ)存；而在電池的充電過程中，鋰離子（或鋅離子）會(huì)從正極材料層間脫出，回到負(fù)極。

總體來(lái)看，電池的工作原理就是一個(gè)由離子遷移與電子轉(zhuǎn)移共同作用的過程。

鋰離子電池。圖庫(kù)版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛

電池快充的原理

那么在這項(xiàng)科研成果中，快速充電的電池是如何實(shí)現(xiàn)的呢？

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拓寬離子傳輸通道

正如上文所說(shuō)的，鋅離子電池的充放電過程就是一個(gè)離子不斷遷移的過程。如果想要在短時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存盡可能多的電池容量，就得給鋅離子創(chuàng)造一個(gè)較大的儲(chǔ)存空間。

首先，研究者將目光聚焦在空間結(jié)構(gòu)可調(diào)的層狀五氧化二釩材料上。這種層狀五氧化二釩材料的結(jié)構(gòu)就像由多個(gè)平行的板子排列而成的。為了增加層狀正極材料的層間距，可以預(yù)插層尺寸較大的銨根離子。這也就是預(yù)先在這些層之間加上一些支柱，來(lái)增加層間距。

有了銨根離子的支撐，鋅離子就可以更容易地在正極材料中進(jìn)行遷移，而且更大的層間空間，也可以有效提高電池的儲(chǔ)能容量。

銨根插層五氧化二釩結(jié)構(gòu)示意圖。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn) [1]

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從調(diào)整軌道占據(jù)到加速電子轉(zhuǎn)移

要知道電池的儲(chǔ)能過程與離子遷移、電子轉(zhuǎn)移密切相關(guān)。當(dāng)鋅離子進(jìn)入正極材料層間進(jìn)行儲(chǔ)存時(shí)，一部分電子也將轉(zhuǎn)移至正極材料來(lái)保持整體的電荷平衡。所以研究插層離子對(duì)層狀材料電子結(jié)構(gòu)的影響也十分重要。

但傳統(tǒng)的測(cè)試手段很難清晰地探索材料內(nèi)在的原子和電子結(jié)構(gòu)。因此，需要使用更加先進(jìn)的同步輻射表征技術(shù)來(lái)進(jìn)行探測(cè)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，我們可以將同步輻射技術(shù)理解成一個(gè)加強(qiáng)版的“超級(jí)顯微鏡”，利用其高亮度和寬波段的特點(diǎn)可以看清物質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。

通過這種技術(shù)，研究者們探究了在層間插入銨根離子支柱后，五氧化二釩材料中原子軌道占據(jù)的變化以及在充放電過程中的可逆演變規(guī)律。

在這里我們先介紹一下基本的電子結(jié)構(gòu)概念。

對(duì)于含有核外電子的元素，它們所帶的電子都不是雜亂排布的，而是依次排布在軌道上。并且，電子總是先占據(jù)能量低的軌道，也就是以原子核為中心，由內(nèi)而外地進(jìn)行排布。

對(duì)于釩元素而言，它的價(jià)電子排布式如下圖，外層含有 5 個(gè)價(jià)電子。在五氧化二釩材料中，這 5 個(gè)電子都用于和氧原子成鍵。此時(shí)，釩的 3d 軌道就是未被電子占據(jù)的空軌道。

釩元素。圖庫(kù)版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛

在同步輻射技術(shù)的幫助下，研究者清晰地看到，銨根離子支柱的插入，使五氧化二釩的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，并改變了原本的 V-O 鍵鍵長(zhǎng)。最重要的是，這種結(jié)構(gòu)的畸變也改變了釩的電子結(jié)構(gòu)，使電子躍遷到原本空的 V3d 軌道，導(dǎo)致 V3d 軌道處于部分占據(jù)的狀態(tài)。然而這一部分的電子并沒有服務(wù)于氧原子，而是顯著提高了材料的導(dǎo)電性。

結(jié)合前文所說(shuō)，在電池充放電過程中，既存在離子遷移，也存在電子轉(zhuǎn)移。通過同步輻射表征顯示，經(jīng)過銨根離子插層的五氧化二釩正極材料在充放電過程中體現(xiàn)出可逆演變規(guī)律。在放電時(shí)，電子轉(zhuǎn)移至正極材料，帶來(lái)了 V3d 軌道的進(jìn)一步占據(jù)，而充電時(shí)，電子脫離，V3d 軌道又能恢復(fù)到原本的占據(jù)狀態(tài)。然而這種軌道占據(jù)的可逆變化并未在原本的五氧化二釩材料中觀察到。

總結(jié)來(lái)看，電子結(jié)構(gòu)的變化不僅使導(dǎo)電性提高，大大加速電荷的流動(dòng)，還能使電池充放電的可逆性提升，進(jìn)一步結(jié)合層間距拓寬對(duì)鋅離子遷移的加速作用，共同實(shí)現(xiàn)了電池的快速充電特性。

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晶體結(jié)構(gòu)與電子結(jié)構(gòu)的雙重調(diào)控，使快速充電、穩(wěn)定循環(huán)走入現(xiàn)實(shí)

當(dāng)使用這種新型正極材料時(shí)，鋅離子電池在 200C 的電流密度下，實(shí)現(xiàn)了 101mAh/g 的容量，并且充電僅需 18s。同時(shí)，其中的水系電解液也保證了循環(huán)過程中的安全性，減少了對(duì)環(huán)境的污染。

論文從材料晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)兩方面出發(fā)，設(shè)計(jì)并調(diào)控了層狀材料的層間距和軌道占據(jù)狀態(tài)。同時(shí)，結(jié)合了先進(jìn)的同步輻射表征手段，更加直觀、清晰地說(shuō)明了材料結(jié)構(gòu)上的演變，使具有快速充電特性的正極材料成為可能。

也許在不久的未來(lái)，這類材料能夠應(yīng)用到電子產(chǎn)品，乃至公共交通。充電時(shí)間的大幅降低，能夠讓人們的生活更加高效、便捷；電池材料的安全、清潔，也能減少給環(huán)境的負(fù)擔(dān)。相信科技會(huì)讓這一天不再遙遠(yuǎn)。

參考資料

[1]?Yixiu Wang, Shiqiang Wei, Zheng-Hang Qi, et al. Intercalant-induced V?t2g?orbital occupation in vanadium oxide cathode towards fast-charging aqueous zinc-ion batteries. PNAS, 2023, 120, e2217208120.

策劃制作

出品｜科普中國(guó)

作者｜董少祥?王一琇 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)

監(jiān)制｜中國(guó)科普博覽

責(zé)編丨楊雅萍

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