（MWNO 晶體結構的全尺寸圖像。紅色、綠色、灰色（在淡綠色八面體中）和紫色球體分別對應于晶胞中的 O、Nb、W 和 Mo 原子。該結構由與晶體剪切面相交的 4 × 4 ReO3塊組成。）

美國能源部橡樹嶺國家實驗室 (Oak Ridge National Laboratory，簡稱ORNL）和田納西大學諾克斯維爾分校的研究人員發現了快速充電的鋰離子電池所需的一種關鍵材料。這種具有商業價值的方法為提高電動汽車的充電速度開辟了一條潛在的途徑。

鋰離子電池，或稱LIBs，在國家的清潔能源技術組合中發揮著重要作用。大多數混合動力電動車和全電動車都使用LIBs。這些可充電電池在可靠性和效率方面具有優勢，因為它們可以儲存更多的能量，比傳統的鉛酸電池充電更快，壽命更長。然而，該技術仍在發展中，需要取得根本性的進展，以滿足改善電動汽車電池的成本、范圍和充電時間的優先事項。

ORNL企業研究員和通訊作者Sheng Dai說："克服這些挑戰將需要在更有效的材料和可擴展到工業的合成方法方面取得進展。“

發表在《先進能源材料》上的成果展示了一種通過使用可擴展的合成方法實現的新型快速充電電池陽極材料。該團隊發現了一種新型的鉬-鎢-鈮酸鹽化合物，或稱MWNO，具有快速充電性和高效率，有可能在商業電池中取代石墨。

幾十年來，石墨一直是用于制造LIB陽極的最佳材料。在基本的電池設計中，兩個固體電極--正極和負極--被一個電解質溶液和一個分離器連接。在LIB中，鋰離子在陰極和陽極之間來回移動，以儲存和釋放能量，為設備提供動力。石墨陽極的一個挑戰是，在充電過程中，電解質會分解并在陽極表面形成堆積物。這種堆積減緩了鋰離子的運動，并可能限制電池的穩定性和性能。

"由于這種遲緩的鋰離子運動，石墨陽極被視為極端快速充電的一個障礙。ORNL博士后研究員和第一作者Runming Tao說："我們正在尋找新的、低成本的材料，可以超越石墨的性能。美國能源部的電動汽車極端快速充電目標設定為15分鐘或更短，以便與燃氣動力汽車的加油時間競爭，而石墨還沒有達到這一里程碑。

"我們的方法專注于非石墨材料，但這些材料也有局限性。一些最有前途的材料--鈮基氧化物--有著復雜的合成方法，不大適合工業化。"Tao說。

傳統的合成鈮氧化物（如MWNO）的方法是通過明火進行的能源密集型工藝，也會產生有毒廢物。一個實用的替代方法可以推動MWNO材料成為先進電池的重要候選人。研究人員轉向了以安全和簡單著稱的成熟的溶膠-凝膠工藝。與傳統的高溫合成不同，溶膠-凝膠工藝是一種將液體溶液轉化為固體或凝膠材料的低溫化學方法，通常用于制造玻璃和陶瓷。

該團隊將離子液體和金屬鹽的混合物轉化為多孔凝膠，并對其進行熱處理以增強材料的最終特性。這種低能量策略還使用作MWNO模板的離子液體溶劑能夠被回收和循環使用。

"這種材料在比石墨更高的電壓下工作，而且不容易形成所謂的'鈍化固體電解質層'，在充電時減緩鋰離子運動。"Tao說："其卓越的容量和快速充電率，再加上可擴展的合成方法，使其成為未來電池材料的一個有吸引力的候選者。

該材料成功的關鍵是一個納米多孔結構，它提供了增強的導電性。其結果為鋰離子和電子的移動提供了較小的阻力，從而實現了快速充電。

Dai說："這項研究實現了一種具有競爭力的MWNO材料的可擴展合成方法，并為各種儲能設備的電極材料的未來設計提供了基本見解。