9月20日，据外媒报道，美国研究人员创造了五氧化二铌，这是一种用于电池电极的具有新型晶体结构的高性能材料。在《自然材料》杂志上发表的一篇论文中，科学家们解释说，这种新材料有望加快锂离子电池的充电速度，同时提供出色的存储容量。该团队指出，在充电过程中，锂离子从正极移动到负极，通常由石墨制成。在更高的充电速度下，锂金属往往会在石墨表面堆积。这种被称为电镀的效应往往会降低性能，并可能导致电池短路、过热和着火。然而，五氧化二铌对电镀的影响要小得多，这可能使其比石墨更安全、更耐用。此外，它的原子可以排列成许多不同的稳定配置，不需要太多能量来重新配置。
在这项研究中，研究人员用五氧化二铌作为电极材料建造了一个纽扣电池——或一个小的圆形电池装置。五氧化二铌具有无定形结构——换句话说，原子的无序排列。当电池多次充电和放电时，无序结构转变为有序的结晶结构。这种特殊的结构以前从未在科学文献中报道过。与无序排列相比，晶体结构使锂离子在充电过程中更容易、更快地传输到阳极中。这一发现表明该材料有望实现快速充电，其他测量表明它可以存储大量电荷。由于充放电循环过程中的复杂变化，需要几个互补的诊断工具来全面了解。
阿贡纳米材料中心的科学家、论文的合著者之一 Yuzi Liu 使用一种称为透射电子显微镜的技术来验证从无定形到晶体的结构转变。该技术通过材料样品发送高能电子束。它基于电子与样品的相互作用创建数字图像。这些图像显示了原子的排列方式。由于电子束聚焦在样品的一小块区域，该技术提供了有关该特定区域的详细信息。这位科学家和他的同事还使用同步加速器 X 射线衍射来确认结构变化。该技术涉及用高能 X 射线束撞击样品，这些 X 射线束被材料中原子的电子散射。检测器测量这种散射以表征材料的结构。Liu 表示，X 射线衍射对于提供有关整个材料样品的整体结构变化的信息是有效的。这有助于研究电池电极材料，因为它们的结构往往因区域而异。因此，通过以不同角度用 X 射线束撞击阳极材料，可以确认它沿表面和内部是均匀结晶的。
完成此操作后，该团队使用一种称为 X 射线光电子能谱的工具来评估正极材料。他们将 X 射线束射入阳极，以一定的能量从正极中喷射出电子。该技术表明，当电池充电时，铌原子会获得多个电子。这表明正极具有高存储容量。媒体声明中写道：使用传统合成方法（例如使材料受热和加压的方法）很难制造出高性能的结晶五氧化二铌。本研究中成功使用的非常规合成方法——对电池进行充电和放电——可用于制造其他创新的电池材料。它甚至可能支持在其他领域制造新型材料，例如半导体和催化剂。