18秒充满电？出门在外再也不用担心手机没电了.

今天我们就来详细说说这个科研成果。

锌离子电池VS 锂离子电池

锂离子电池是一种广泛认可的储能装置。锂离子电池凭借能量密度高、工作温度范围宽等优点，占据了商用电池的绝大多数。但其中使用的有机电解液对人体有害，而且锂资源的短缺将导致未来电池市场供不应求。

锌离子电池作为储能行业的后起之秀，不仅具有较高的理论能量密度，而且具有无毒的水系电解液，保证了安全高效的生产和应用。此外，廉价且丰富的锌资源也大大降低了电池的使用成本，未来有望成为锂离子电池的潜在替代品。

尽管使用材料有很多差异，但锌离子电池和锂离子电池在充放电过程中的工作条件非常相似。

电池的正极材料往往是层状的：在电池放电过程中，锂离子（或锌离子）会嵌入正极材料的层层中储存；而在电池充电过程中，锂离子（或锌离子）会从正极材料层间脱出，返回负极。

总的来说，电池的工作原理是一个离子迁移和电子转移的过程。

电池快充原理

那么在这项科研成果中，快充电池是如何实现的呢？

拓宽离子传输通道

18秒充满电？出门在外再也不用担心手机没电了.

如上所述，锌离子电池的充放电过程是离子不断迁移的过程。如果想在短时间内储存尽可能多的电池容量，就必须为锌离子创造更大的储存空间。

首先，研究人员专注于具有可调节空间结构的层状五氧化二钒材料。这种层状五氧化二钒材料的结构就像多个平行板的排列。为了增加层状正极材料的层间距，可以预先嵌入较大的铵离子。这意味着提前在这些层之间添加一些支柱以增加层间距。

在铵离子的支撑下，锌离子可以更容易地在正极材料中迁移，更大的层间空间也可以有效增加电池的储能能力。

从调整轨道占用到加速电子转移

要知道电池的储能过程与离子迁移和电子转移密切相关。当锌离子进入正极材料的夹层储存时，部分电子也会转移到正极材料上，以维持整体的电荷平衡。因此，研究插层离子对层状材料电子结构的影响也非常重要。

然而，传统的测试方法很难清晰地探索材料的内在原子和电子结构。因此，需要更先进的同步加速器辐射表征技术进行检测。简单来说，我们可以把同步辐射技术理解为增强版的“超级显微镜”，可以利用其高亮度、宽波段的特性，清晰地看到物质的内部结构。

通过这项技术，研究人员探索了层间插入铵离子柱后五氧化二钒材料中原子轨道占据的变化以及充放电过程中的可逆演化规律。

这里我们首先介绍一下电子结构的基本概念。

对于含有核外电子的元素，其携带的电子并不是随机排列的，而是按顺序排列在轨道上的。而且电子总是先占据低能轨道，即以原子核为中心从内向外排列。

对于钒元素，其价电子排列如下图所示，外壳含有5个价电子。在五氧化二钒材料中，这五个电子用于与氧原子形成键。此时，钒的3d轨道是一个空轨道，没有被电子占据。

18秒充满电？出门在外再也不用担心手机没电了.

借助同步辐射技术，研究人员清晰地看到铵离子柱的插入扭曲了五氧化二钒的晶体结构，改变了原有的V-O键长。最重要的是，这种结构畸变还改变了钒的电子结构，导致电子跳跃到原本空的V3d轨道，导致V3d轨道处于部分占据状态。然而，这部分电子并不服务于氧原子，而是显着提高了材料的导电率。

结合上文所述，电池充放电过程中，既有离子迁移，也有电子转移。同步辐射表征表明，插有铵离子的五氧化二钒正极材料在充放电过程中表现出可逆的演化模式。在放电过程中，电子转移到阴极材料，导致进一步占据V3d 轨道。充电期间，电子分离，V3d 轨道可以返回到其原始占据状态。然而，在原始五氧化二钒材料中尚未观察到轨道占据的这种可逆变化。

综上所述，电子结构的改变不仅提高了电导率，大大加速了电荷的流动，而且提高了电池充放电的可逆性。再加上层间距的加宽对锌离子迁移的加速作用，共同实现了电池的快速发展。充电特性。

晶体结构和电子结构的双重调控使快速充电和稳定循环成为现实

当使用这种新型正极材料时，锌离子电池在200C的电流密度下实现了101mAh/g的容量，并且充电仅需18秒。同时，水基电解液也保证了循环过程中的安全，减少了环境污染。

论文根据材料的晶体结构和电子结构，设计和调控层状材料的层间距和轨道占据状态。同时，结合先进的同步辐射表征方法，更直观、清晰地解释材料结构的演变，使得制造具有快充特性的正极材料成为可能。

或许在不久的将来，这样的材料可以应用到电子产品甚至公共交通上。充电时间的大幅减少可以让人们的生活更加高效便捷；电池材料的安全和清洁还可以减轻对环境的负担。我相信科技会让这一天不再遥远。

参考

[1] 王一秀，魏世强，齐正航，等。插层剂诱导的V t2g 轨道占据氧化钒阴极，用于快速充电水性锌离子电池。美国国家科学院院刊，2023，120，e2217208120。