世界上的手機(jī)比人還多。幾乎所有這些電池都由可充電鋰離子電池供電，這是過(guò)去幾十年中實(shí)現(xiàn)便攜式電子產(chǎn)品革命的最重要組成部分。如果這些設(shè)備沒(méi)有足夠的功率可以持續(xù)至少幾個(gè)小時(shí)而不會(huì)那么特別沉重，那么這些設(shè)備都不會(huì)對(duì)用戶有吸引力。

鋰離子電池也可用于大型應(yīng)用，如電動(dòng)汽車和智能電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)。研究人員在材料科學(xué)方面的創(chuàng)新，試圖改進(jìn)鋰離子電池，正在為更多性能更好的電池鋪平道路。已經(jīng)具有可形成不會(huì)著火或爆炸的高容量電池。許多人都?jí)粝胫軌蛟趲追昼娚踔翈酌腌妰?nèi)充電的更快，更輕的電池，而且能夠存儲(chǔ)足夠的能量來(lái)為設(shè)備供電數(shù)天。

研究人員正在更加大膽地思考。如果汽車和電網(wǎng)存儲(chǔ)系統(tǒng)能夠在多年甚至幾十年內(nèi)放電和充電數(shù)萬(wàn)次的話，那樣電池的發(fā)展情況會(huì)更好。維護(hù)人員和客戶更希望電池能夠自我監(jiān)控，并在電池?fù)p壞或無(wú)法達(dá)到最佳性能時(shí)發(fā)出警報(bào)，甚至能夠自我斷電并進(jìn)行自行修復(fù)。而且，將兩用電池集成到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中，既有助于塑造智能手機(jī)、汽車或建筑的外形，又能為其功能提供動(dòng)力。

新興材料

在大多數(shù)情況下，能量?jī)?chǔ)存的進(jìn)步將依賴于材料科學(xué)的持續(xù)發(fā)展，推動(dòng)現(xiàn)有電池材料的性能極限并開(kāi)發(fā)全新的電池結(jié)構(gòu)和組合物。

電池行業(yè)已經(jīng)在努力降低鋰離子電池的成本，包括從被稱為陰極的正極上去除昂貴的鈷。這也會(huì)降低這些電池的人力成本，因?yàn)槭澜缟镶挼闹饕獊?lái)源剛果的許多礦山都是使用兒童來(lái)做艱難的體力勞動(dòng)而得來(lái)的。

研究人員正在尋找用主要由鎳制成的陰極代替含鈷材料的方法。最終，他們可以用錳代替鎳。與其前身相比，這些金屬中的每一種都更便宜，更豐富，更安全。但他們需要權(quán)衡，因?yàn)樗鼈兙哂锌s短電池壽命的化學(xué)特性。

研究人員還在考慮用可能更便宜且更安全的離子和電解質(zhì)替換在兩個(gè)電極之間穿梭的鋰離子，如基于鈉，鎂，鋅或鋁的鋰離子。

研究小組研究了使用二維材料的可能性，這些材料基本上是極薄的具有有用電子特性的物質(zhì)。石墨烯可能是其中最著名的-一片碳只有一個(gè)原子厚。我們想看看是否堆疊各種二維材料的層，然后用水或其他導(dǎo)電液體滲透堆疊可能是電池的關(guān)鍵組件，可以非常快速地充電。

看著里面的電池

它不僅僅是擴(kuò)展電池創(chuàng)新世界的新材料：新的設(shè)備和方法也讓研究人員能夠比以往更容易地看到電池內(nèi)部發(fā)生的情況。

過(guò)去，研究人員通過(guò)特定的充放電過(guò)程或循環(huán)次數(shù)運(yùn)行電池，然后從電池中取出材料并在事后檢查。只有這樣，學(xué)者才能了解在此過(guò)程中發(fā)生了什么化學(xué)變化，并推斷電池實(shí)際工作情況以及影響其性能的因素。

但現(xiàn)在，研究人員可以在電池材料經(jīng)歷能量存儲(chǔ)過(guò)程時(shí)觀察電池材料，實(shí)時(shí)分析其原子結(jié)構(gòu)和成分。可以使用復(fù)雜的光譜技術(shù)，例如可用于稱為同步加速器的粒子加速器的X射線技術(shù)-以及電子顯微鏡和掃描探針-觀察離子移動(dòng)和物理結(jié)構(gòu)隨著能量?jī)?chǔ)存和釋放材料而變化在電池里。

這些方法讓像我這樣的研究人員想象出新的電池結(jié)構(gòu)和材料，制造它們，看看它們的工作情況有多好。這樣，我們就能夠保持電池材料的革命。