以电池为能量来源的手机、电脑、平板等已经成了我们生活的一部分，慢慢的变多的人开始患上“电量焦虑症”，同时，新能源汽车的加速普及也让人们对充电耗时长的电池越来越难以忍受——快点！电池充得再快一点！这成了所有人共同的心愿。

  电量焦虑成了这个时代焦虑来源之一。图库版权图片，转载使用可能引发版权纠纷

  这个心愿可能很快就要实现了。最近，中国科学技术大学国家同步辐射实验室教授宋礼团队开发出了一种具有快充能力的电池。

  锂离子电池是目前大家所广泛认识的一种储能器件。凭借单位体积内的包含的能量高、工作时候的温度范围广等优势，锂离子电池已占据商业化电池中绝大部分份额。但是，其中所使用的有机电解液对人体有一定危害，而且锂资源短缺的问题会导致电池市场在未来出现供不应求的状况。

  既具有较高的理论单位体积内的包含的能量，还具有无毒性的水系电解液，保证了安全、高效的生产与应用。另外，廉价且丰富的锌资源也大幅度的降低了电池的使用成本

  即便在材料的使用上有诸多不同，但锌离子电池和锂离子电池在充放电过程的工作状态却是很类似的。

  电池的正极材料往往是层状的：在电池的放电过程中，锂离子（或锌离子）将嵌入正极材料的层间进行储存；而在电池的充电过程中，锂离子（或锌离子）会从正极材料层间脱出，回到负极。

  如果想要在短时间内储存尽可能多的电池容量，就得给锌离子创造一个较大的储存空间。

  首先，研究者将目光聚焦在空间结构可调的层状五氧化二钒材料上。这种层状五氧化二钒材料的结构就像由多个平行的板子排列而成的。为增加层状正极材料的层间距，可以预插层尺寸较大的铵根离子。这也就是预先在这些层之间加上一些支柱，来增加层间距。

  有了铵根离子的支撑，锌离子就可以更容易地在正极材料中进行迁移，而且更大的层间空间，也可以轻松又有效提高电池的储能容量。

  要知道电池的储能过程与离子迁移、电子转移紧密关联。当锌离子进入正极材料层间进行储存时，一部分电子也将转移至正极材料来保持整体的电荷平衡。所以

  但传统的测试手段很难清晰地探索材料内在的原子和电子结构。因此，需要用更先进的同步辐射表征技术来进行探测。简单来说，我们可以将

  理解成一个加强版的“超级显微镜”，利用其高亮度和宽波段的特点可以看清物质内部的结构。

  通过这种技术，研究者们探究了在层间插入铵根离子支柱后，五氧化二钒材料中原子轨道占据的变化以及在充放电过程中的可逆演变规律。

  对于含有核外电子的元素，它们所带的电子都不是杂乱排布的，而是依次排布在轨道上。并且，电子总是先占据能量低的轨道，也就是以原子核为中心，由内而外地进行排布。

  对于钒元素而言，它的价电子排布式如下图，外层含有 5 个价电子。在五氧化二钒材料中，这 5 个电子都用于和氧原子成键。此时，钒的 3d 轨道就是未被电子占据的空轨道。

  铵根离子支柱的插入，使五氧化二钒的晶体结构发生畸变，并改变了原本的 V-O 键键长。最重要的是，这种结构的畸变也改变了钒的电子结构，使电子跃迁到原本空的 V3d 轨道，导致 V3d 轨道处于部分占据的状态。

  结合前文所说，在电池充放电过程中，既存在离子迁移，也存在电子转移。通过同步辐射表征显示，经过铵根离子插层的五氧化二钒正极材料在充放电过程中体现出可逆演变规律。在放电时，电子转移至正极材料，带来了 V3d 轨道的进一步占据，而充电时，电子脱离，V3d 轨道又能恢复到原本的占据状态。然而这种轨道占据的可逆变化并未在原本的五氧化二钒材料中观察到。

  总结来看，电子结构的变化不仅使导电性提高，大大加速电荷的流动，还能使电池充放电的可逆性提升，进一步结合层间距拓宽对锌离子迁移的加速作用，共同实现了电池的快充特性。

  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 18s。同时，其中的水系电解液也保证了循环过程中的安全性，减少了对环境的污染。

  论文从材料晶体结构和电子结构两方面出发，设计并调控了层状材料的层间距和轨道占据状态。同时，结合了先进的同步辐射表征手段，更加直观、清晰地说明了材料结构上的演变，使具有快充特性的正极材料成为可能。

  也许在不久的未来，这类材料能够应用到电子科技类产品，乃至公共交通。充电时间的大幅度降低，能够让人们的生活更高效、便捷；电池材料的安全、清洁，也能减少给环境的负担。相信科技会让这一天不再遥远。