突破快充瓶颈：Nb16W5O55基锂离子电池快充性能的提升之路

为解决锂离子电池快充瓶颈问题，研究人员开展了关于 Nb16W5O55基锂离子电池快充性能的研究。发现其快充源于速率相关晶格弛豫过程，提出机器学习辅助界面工程策略，提升了快充性能，为快充电池发展提供理论支持。

　　在电动汽车蓬勃发展的当下，充电速度成为制约其进一步普及的关键因素。锂离子电池作为电动汽车的核心 “能量源”，其快充性能至关重要。目前，传统的石墨和硅基负极材料在快充时问题重重，石墨易引发锂枝晶形成，硅则存在电子电导率低和体积变化大的难题。同时，提升快充性能的常用手段，如构建纳米或多孔结构，又会降低电池的体积能量密度。开发兼具高倍率性能、良好能量密度和安全性的快充材料迫在眉睫。

温州大学等研究机构的研究人员，针对这一挑战开展了关于 Nb₁₆W₅O₅₅基锂离子电池快充性能的研究。他们发现了该材料快充的本质，提出了有效的改进策略，相关成果发表在《Nature Communications》上，为锂离子电池快充技术的发展开辟了新方向。

研究人员采用了多种关键技术方法。通过原子分辨扫描透射电子显微镜（STEM）和密度泛函理论（DFT）分析晶体结构，原位透射电子显微镜（TEM）观察锂离子嵌入过程，利用高通量筛选和 ACGNet 模型筛选涂层材料，以及进行多种电化学测试评估材料性能 。

研究结果

1. Nb₁₆W₅O₅₅晶体结构：Nb₁₆W₅O₅₅晶体由 (4×5) MO₆八面体和四面体组成，具有明显的块体和剪切结构。晶体中 Nb 和 W 分布无序，存在晶格畸变，这种结构为研究其快充机制奠定了基础。
2. 快充机制：通过对不同倍率下晶体结构的分析，发现 Nb₁₆W₅O₅₅的快充能力源于与 Jahn-Teller 效应相关的速率依赖晶格弛豫过程。在高倍率下，锂离子倾向于随机占据晶格位点，减轻晶格畸变，促进快速嵌入；而在低倍率如 0.1C 时，晶格畸变加剧，影响结构稳定性。
3. 各向异性晶格变化对锂离子嵌入的响应：利用原位 TEM 观察发现，锂离子在 Nb₁₆W₅O₅₅晶体中沿 [010] 方向的隧道快速嵌入和脱嵌，但材料颗粒表面多为剪切面，阻碍了锂离子在这些表面的嵌入，导致快充性能受限。
4. 快充性能提升与评估：提出机器学习辅助界面工程策略，筛选出还原氧化石墨烯（rGO）作为涂层材料。rGO 能降低界面各向异性，促进锂离子传输。rGO/Nb₁₆W₅O₅₅在高倍率下展现出优异性能，如 80C 时容量约为 116mAh g^-1 ，且具有良好的循环稳定性。

研究结论表明，Nb₁₆W₅O₅₅的快充能力主要归因于速率依赖的晶格弛豫过程，[010] 方向的锂离子传输是快充的关键瓶颈。机器学习辅助的界面工程策略有效提升了材料的快充性能和循环稳定性。这一研究加深了人们对 Nb₁₆W₅O₅₅基电池快充机制的理解，为开发先进的快充电池提供了理论依据和实践指导，有望推动电动汽车等领域的快速发展，具有重要的科学意义和应用价值。