铌作为电池阳极的金属有何特别之处

不起眼的铌（Nb）可增强电极化学性能，具备增加电池容量和在极端温度下进行快速充电的潜在优势。

目前研究证明，过渡金属铌（Nb）可以改善钛酸锂（LTO）阳极的性能。LTO阳极是多得眼花缭乱的锂离子电池电极化学形式中的一种，也是产量第二高的阳极，仅次于石墨阳极。在锂电池的充电过程中，锂离子离开正向阴极，穿过电池的电解质，占据阳极中能量更高的位置。而放电过程正好相反，电子受到驱动，通过外部电路为负载供电。

最理想的状态下，阳极的表面积要足够大才能嵌入大量锂离子，提高储能容量。其次，阳极要采用开放式结构，这种结构几乎不会对离子运动产生阻力，从而使电池在不过度发热的情况下进行快速充放电。笔记本电脑的电池经常发热就这种“阻力”存在造成的。电池的充放电就像客机的载客和卸客。将整个客机塞满座位的确可以实现最大容量，但是这样“阻力”（坐到你的座位的难度）就会非常大。因此，通过牺牲部分座位的方式提供一条以上的通道，可以加快乘客移动的速度。

碳在用作锂离子电池阳极时，可以提供巨大的表面积，但是随着锂离子的进出，其容量会相应增加或减少，从而产生循环应变，使碳颗粒随时间推移而分离，并有可能导致电池自放电。此外，碳阳极还可能会发生“锂化”反应，即金属锂的沉积。这种反应的一个后果是导致枝晶生长（就像镀锌表面有时候会长出的“晶须”）。生长的枝晶会穿透分隔阳极和阴极的隔膜，导致电池自放电和热失控，从而使电池的安全壳破裂，并导致有机电解质燃烧。

这些专业知识非常复杂，非专业人士几乎很难有兴趣了解。然而，为了提高 “点击量”，大量企业和大学实验室不断在科技网站上报告“突破性”的研究成果。这些宣传方式让人以为期待已久的“超级电池”马上就能上市了。但当你仔细阅读这些报告时，会发现大多数是一些小改进，比如发现了一种用于电解质的新型阻燃剂，或者发现了使用细碎石墨增强电极导电性的方法。虽然渐进性的改进也很重要，但革命性的新技术几乎没有。

不同类型的权衡

然而，还是有一些称得上“圣杯（holy grails）”的突破性电池技术，有望带来能量密度的变革。比如IBM花费三年时间研究的锂空气电池，它的理论能量密度是当今市场上最佳电池的十倍。又或者是纳米硅阳极，虽然它理论上的能量密度潜能还有待实现。然而我们还是期待着某个实验室工作的发明家（就像《米老鼠和唐老鸭》中的山雀发明家吉罗）会带来神奇的技术。 有人用“轮子”来描述锂离子电池的特性，用轮子的每根“辐条”的长度对应一种性能：成本、安全、寿命、比能量储能以及充放电速度等。因为尚未发现性能全面的电化学方案，所以电池行业目前采用多种方案，分别针对不同应用。直到最近，特斯拉还在专注于开发具有高比能的锂镍钴铝氧化物（NCA）阴极。如今，特斯拉与大众、RIVIAN和福特一起，转而关注大电流磷酸铁锂（LFP）阴极。LFP电池具有较低的比能量，且热稳定性较好，一直受到电动机械制造商以及中国的电池及汽车制造商比亚迪的青睐。另一种策略是使用混合电池，即将一种高比能电池与另一种大电流电池结合使用，并用前者为后者充电，从而使电池这个“轮子”更圆、更全面。 钛酸锂（LTO）等阳极具有开放式尖晶石化学结构，可允许高电流快速充电，而且具有良好的安全性能和出色的循环寿命（可循环数千次，而非数百次）。但是，LTO阳极的储能容量远不及相机、笔记本电脑、手机或电动汽车应用常用的电池。LTO电池的以上特性相当适合在城市内重复路线的进行短途移动的电动公交车。高电流充放电和极长的循环寿命等特性使得LTO电池只需在公交路线的任意一端的终点站进行6分钟的充电，就可以提供足够的电力和续航时间。

保持“适当”热情

那么，铌电池又如何呢？自2008年以来，日本东芝公司一直致力于营销其钛酸锂（LTO）电池。与此同时，对开放式结构阳极的研究在许多地区仍在继续。研究发现，钛铌氧化物（NTO）结构的理论容量（mAh/cm3）是LTO的三倍，因此NTO成为了LTO在电动汽车市场潜在的竞争对手。据称，NTO电池在经过5000次充放电循环后，容量仍能保持在初始容量的90%，而且，在低至14华氏度（-10摄氏度）的温度下，仍能保持与LTO相同的快速充电能力。  

这种新型阳极材料被称为“Wadsley-Roth结晶切变结构”，这些结构开放程度很大，足以提供低电阻的快速充放电，而且结构包含很多用于镶嵌锂离子的晶格空位，且在充放电期间不会像碳阳极一样发生体积变化。此外，铌存在多种氧化物，这是拓展电池容量的基础。对铌电极进行的深入细致的研究给人们带来了希望，即可以通过主动设计来提高电池的电极性能，甚至可以通过计算方法，而非传统的逐个尝试的方法来实现性能提升。 钛铌氧化物（NTO）的快速充电功能听起来不错，但是在算出所需电流之前，我们还不能对它过于热衷。未来的充电站能否提供如此高的电流，即便采用现在讨论的液冷电缆技术？研发出新型的阳极材料（如NTO）只是一个开始，现有和未来的大量技术必须通过实践才能优化其化学性能。正如一些文章所述，做好这些工作“需要深入了解晶体和电子结构”。

位于巴西Araxa的巴西矿冶公司CBMM是铌铁（少量铌铁可用作高强度低合金（HSLA）钢的晶粒细化剂）和氧化铌的主要供应商。2021年9月24日，CBMM与东芝和一家日本贸易公司双日株式会社签署了协议，目的是在保留其前身钛酸锂（LTO）电池的快速充电性能和极长寿命的前提下，开发出一种具备更高比能的钛铌氧化物（NTO）阳极锂离子电池。  

编辑：黄飞