不起眼的鈮（Nb）可增強電極化學性能，具備增加電池容量和在極端溫度下進行快速充電的潛在優(yōu)勢。

目前研究證明，過渡金屬鈮（Nb）可以改善鈦酸鋰（LTO）陽極的性能。LTO陽極是多得眼花繚亂的鋰離子電池電極化學形式中的一種，也是產量第二高的陽極，僅次于石墨陽極。在鋰電池的充電過程中，鋰離子離開正向陰極，穿過電池的電解質，占據(jù)陽極中能量更高的位置。而放電過程正好相反，電子受到驅動，通過外部電路為負載供電。

最理想的狀態(tài)下，陽極的表面積要足夠大才能嵌入大量鋰離子，提高儲能容量。其次，陽極要采用開放式結構，這種結構幾乎不會對離子運動產生阻力，從而使電池在不過度發(fā)熱的情況下進行快速充放電。筆記本電腦的電池經常發(fā)熱就這種“阻力”存在造成的。電池的充放電就像客機的載客和卸客。將整個客機塞滿座位的確可以實現(xiàn)最大容量，但是這樣“阻力”（坐到你的座位的難度）就會非常大。因此，通過犧牲部分座位的方式提供一條以上的通道，可以加快乘客移動的速度。

碳在用作鋰離子電池陽極時，可以提供巨大的表面積，但是隨著鋰離子的進出，其容量會相應增加或減少，從而產生循環(huán)應變，使碳顆粒隨時間推移而分離，并有可能導致電池自放電。此外，碳陽極還可能會發(fā)生“鋰化”反應，即金屬鋰的沉積。這種反應的一個后果是導致枝晶生長（就像鍍鋅表面有時候會長出的“晶須”）。生長的枝晶會穿透分隔陽極和陰極的隔膜，導致電池自放電和熱失控，從而使電池的安全殼破裂，并導致有機電解質燃燒。

這些專業(yè)知識非常復雜，非專業(yè)人士幾乎很難有興趣了解。然而，為了提高 “點擊量”，大量企業(yè)和大學實驗室不斷在科技網站上報告“突破性”的研究成果。這些宣傳方式讓人以為期待已久的“超級電池”馬上就能上市了。但當你仔細閱讀這些報告時，會發(fā)現(xiàn)大多數(shù)是一些小改進，比如發(fā)現(xiàn)了一種用于電解質的新型阻燃劑，或者發(fā)現(xiàn)了使用細碎石墨增強電極導電性的方法。雖然漸進性的改進也很重要，但革命性的新技術幾乎沒有。

不同類型的權衡

然而，還是有一些稱得上“圣杯（holy grails）”的突破性電池技術，有望帶來能量密度的變革。比如IBM花費三年時間研究的鋰空氣電池，它的理論能量密度是當今市場上最佳電池的十倍。又或者是納米硅陽極，雖然它理論上的能量密度潛能還有待實現(xiàn)。然而我們還是期待著某個實驗室工作的發(fā)明家（就像《米老鼠和唐老鴨》中的山雀發(fā)明家吉羅）會帶來神奇的技術。 有人用“輪子”來描述鋰離子電池的特性，用輪子的每根“輻條”的長度對應一種性能：成本、安全、壽命、比能量儲能以及充放電速度等。因為尚未發(fā)現(xiàn)性能全面的電化學方案，所以電池行業(yè)目前采用多種方案，分別針對不同應用。直到最近，特斯拉還在專注于開發(fā)具有高比能的鋰鎳鈷鋁氧化物（NCA）陰極。如今，特斯拉與大眾、RIVIAN和福特一起，轉而關注大電流磷酸鐵鋰（LFP）陰極。LFP電池具有較低的比能量，且熱穩(wěn)定性較好，一直受到電動機械制造商以及中國的電池及汽車制造商比亞迪的青睞。另一種策略是使用混合電池，即將一種高比能電池與另一種大電流電池結合使用，并用前者為后者充電，從而使電池這個“輪子”更圓、更全面。 鈦酸鋰（LTO）等陽極具有開放式尖晶石化學結構，可允許高電流快速充電，而且具有良好的安全性能和出色的循環(huán)壽命（可循環(huán)數(shù)千次，而非數(shù)百次）。但是，LTO陽極的儲能容量遠不及相機、筆記本電腦、手機或電動汽車應用常用的電池。LTO電池的以上特性相當適合在城市內重復路線的進行短途移動的電動公交車。高電流充放電和極長的循環(huán)壽命等特性使得LTO電池只需在公交路線的任意一端的終點站進行6分鐘的充電，就可以提供足夠的電力和續(xù)航時間。

保持“適當”熱情

那么，鈮電池又如何呢？自2008年以來，日本東芝公司一直致力于營銷其鈦酸鋰（LTO）電池。與此同時，對開放式結構陽極的研究在許多地區(qū)仍在繼續(xù)。研究發(fā)現(xiàn)，鈦鈮氧化物（NTO）結構的理論容量（mAh/cm3）是LTO的三倍，因此NTO成為了LTO在電動汽車市場潛在的競爭對手。據(jù)稱，NTO電池在經過5000次充放電循環(huán)后，容量仍能保持在初始容量的90%，而且，在低至14華氏度（-10攝氏度）的溫度下，仍能保持與LTO相同的快速充電能力。 ?

這種新型陽極材料被稱為“Wadsley-Roth結晶切變結構”，這些結構開放程度很大，足以提供低電阻的快速充放電，而且結構包含很多用于鑲嵌鋰離子的晶格空位，且在充放電期間不會像碳陽極一樣發(fā)生體積變化。此外，鈮存在多種氧化物，這是拓展電池容量的基礎。對鈮電極進行的深入細致的研究給人們帶來了希望，即可以通過主動設計來提高電池的電極性能，甚至可以通過計算方法，而非傳統(tǒng)的逐個嘗試的方法來實現(xiàn)性能提升。 鈦鈮氧化物（NTO）的快速充電功能聽起來不錯，但是在算出所需電流之前，我們還不能對它過于熱衷。未來的充電站能否提供如此高的電流，即便采用現(xiàn)在討論的液冷電纜技術？研發(fā)出新型的陽極材料（如NTO）只是一個開始，現(xiàn)有和未來的大量技術必須通過實踐才能優(yōu)化其化學性能。正如一些文章所述，做好這些工作“需要深入了解晶體和電子結構”。

位于巴西Araxa的巴西礦冶公司CBMM是鈮鐵（少量鈮鐵可用作高強度低合金（HSLA）鋼的晶粒細化劑）和氧化鈮的主要供應商。2021年9月24日，CBMM與東芝和一家日本貿易公司雙日株式會社簽署了協(xié)議，目的是在保留其前身鈦酸鋰（LTO）電池的快速充電性能和極長壽命的前提下，開發(fā)出一種具備更高比能的鈦鈮氧化物（NTO）陽極鋰離子電池。??

編輯：黃飛

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