以電池爲能量來源的手機、電腦、平闆等已經成了我們生活的一部分，越來越多的人開始患上 " 電量焦慮症 "，同時，新能源汽車的加速普及也讓人們對充電耗時長的電池越來越難以忍受——快點！電池充得再快一點！這成了所有人共同的心願。
這個心願可能很快就要實現了。最近，中國科學技術大學國家同步輻射實驗室教授宋禮團隊開發出了一種具有快充能力的電池。
今天我們就來仔細地聊一聊這項科研成果。
鋅離子電池 VS 锂離子電池
锂離子電池是目前大家所廣泛認識的一種儲能器件。憑借能量密度高、工作溫度範圍廣等優勢，锂離子電池已占據商業化電池中絕大部分份額。但是，其中所使用的有機電解液對人體有一定危害，而且锂資源短缺的問題會導緻電池市場在未來出現供不應求的狀況。
而鋅離子電池作爲儲能界的新秀，既具有較高的理論能量密度，還具有無毒性的水系電解液，保證了安全、高效的生産與應用。另外，廉價且豐富的鋅資源也大大降低了電池的使用成本，有望在未來成爲锂離子電池的潛在替代品。
即便在材料的使用上有諸多不同，但鋅離子電池和锂離子電池在充放電過程的工作狀态卻是很類似的。
電池的正極材料往往是層狀的：在電池的放電過程中，锂離子（或鋅離子）将嵌入正極材料的層間進行儲存；而在電池的充電過程中，锂離子（或鋅離子）會從正極材料層間脫出，回到負極。
總體來看，電池的工作原理就是一個由離子遷移與電子轉移共同作用的過程。
锂離子電池。圖庫版權圖片，轉載使用可能引發版權糾紛
電池快充的原理
那麽在這項科研成果中，快速充電的電池是如何實現的呢？
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拓寬離子傳輸通道
正如上文所說的，鋅離子電池的充放電過程就是一個離子不斷遷移的過程。如果想要在短時間内儲存盡可能多的電池容量，就得給鋅離子創造一個較大的儲存空間。
首先，研究者将目光聚焦在空間結構可調的層狀五氧化二釩材料上。這種層狀五氧化二釩材料的結構就像由多個平行的闆子排列而成的。爲了增加層狀正極材料的層間距，可以預插層尺寸較大的铵根離子。這也就是預先在這些層之間加上一些支柱，來增加層間距。
有了铵根離子的支撐，鋅離子就可以更容易地在正極材料中進行遷移，而且更大的層間空間，也可以有效提高電池的儲能容量。
铵根插層五氧化二釩結構示意圖。圖片來源：參考文獻 [ 1 ]
2
從調整軌道占據到加速電子轉移
要知道電池的儲能過程與離子遷移、電子轉移密切相關。當鋅離子進入正極材料層間進行儲存時，一部分電子也将轉移至正極材料來保持整體的電荷平衡。所以研究插層離子對層狀材料電子結構的影響也十分重要。
但傳統的測試手段很難清晰地探索材料内在的原子和電子結構。因此，需要使用更加先進的同步輻射表征技術來進行探測。簡單來說，我們可以将同步輻射技術理解成一個加強版的 " 超級顯微鏡 "，利用其高亮度和寬波段的特點可以看清物質内部的結構。
通過這種技術，研究者們探究了在層間插入铵根離子支柱後，五氧化二釩材料中原子軌道占據的變化以及在充放電過程中的可逆演變規律。
在這裏我們先介紹一下基本的電子結構概念。
對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，電子總是先占據能量低的軌道，也就是以原子核爲中心，由内而外地進行排布。
對于釩元素而言，它的價電子排布式如下圖，外層含有 5 個價電子。在五氧化二釩材料中，這 5 個電子都用于和氧原子成鍵。此時，釩的 3d 軌道就是未被電子占據的空軌道。
釩元素。圖庫版權圖片，轉載使用可能引發版權糾紛
在同步輻射技術的幫助下，研究者清晰地看到，铵根離子支柱的插入，使五氧化二釩的晶體結構發生畸變，并改變了原本的 V-O 鍵鍵長。最重要的是，這種結構的畸變也改變了釩的電子結構，使電子躍遷到原本空的 V3d 軌道，導緻 V3d 軌道處于部分占據的狀态。然而這一部分的電子并沒有服務于氧原子，而是顯著提高了材料的導電性。
結合前文所說，在電池充放電過程中，既存在離子遷移，也存在電子轉移。通過同步輻射表征顯示，經過铵根離子插層的五氧化二釩正極材料在充放電過程中體現出可逆演變規律。在放電時，電子轉移至正極材料，帶來了 V3d 軌道的進一步占據，而充電時，電子脫離，V3d 軌道又能恢複到原本的占據狀态。然而這種軌道占據的可逆變化并未在原本的五氧化二釩材料中觀察到。
總結來看，電子結構的變化不僅使導電性提高，大大加速電荷的流動，還能使電池充放電的可逆性提升，進一步結合層間距拓寬對鋅離子遷移的加速作用，共同實現了電池的快速充電特性。
3
晶體結構與電子結構的雙重調控，使快速充電、穩定循環走入現實
當使用這種新型正極材料時，鋅離子電池在 200C 的電流密度下，實現了 101mAh/g 的容量，并且充電僅需 18s。同時，其中的水系電解液也保證了循環過程中的安全性，減少了對環境的污染。
論文從材料晶體結構和電子結構兩方面出發，設計并調控了層狀材料的層間距和軌道占據狀态。同時，結合了先進的同步輻射表征手段，更加直觀、清晰地說明了材料結構上的演變，使具有快速充電特性的正極材料成爲可能。
也許在不久的未來，這類材料能夠應用到電子産品，乃至公共交通。充電時間的大幅降低，能夠讓人們的生活更加高效、便捷；電池材料的安全、清潔，也能減少給環境的負擔。相信科技會讓這一天不再遙遠。
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
作者｜董少祥 王一琇 中國科學技術大學
監制｜中國科普博覽
責編丨楊雅萍
