十年前，如果你需要一個(gè)電池，而不是一個(gè)手電筒或鬧鐘，你的選擇是相當(dāng)有限的。鋰離子電池早在20世紀(jì)90年代就進(jìn)入了消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域，研究人員剛剛開始探索鋰離子電池在某些汽車應(yīng)用領(lǐng)域的潛力。

然而，即使在2010年，科學(xué)家和決策者也知道鋰離子電池并不是解決儲(chǔ)能挑戰(zhàn)的唯一方法。不同的應(yīng)用，從重型卡車運(yùn)輸?shù)诫妱?dòng)飛機(jī)，再到將間歇性產(chǎn)生的可再生能源儲(chǔ)存在電網(wǎng)上的大規(guī)模裝置中，要求科學(xué)家們從化學(xué)和技術(shù)的角度進(jìn)行更廣泛的思考。

為了發(fā)現(xiàn)鋰離子以外的關(guān)鍵電池技術(shù)，美國(guó)能源部（DOE）成立了聯(lián)合儲(chǔ)能研究中心（JCESR），這是一個(gè)由能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的能源創(chuàng)新中心，旨在將實(shí)驗(yàn)室、學(xué)術(shù)界和工業(yè)界聯(lián)合起來(lái)，解決儲(chǔ)能領(lǐng)域的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。JCESR最初的設(shè)計(jì)是一個(gè)五年的工作，其任務(wù)是開發(fā)電池，在同等重量的情況下可以儲(chǔ)存更多的能量，同時(shí)成本更低。

在JCESR的早期，這一挑戰(zhàn)促使人們尋找一種“神奇的子彈”——一種電池，因?yàn)樗鼭M足一定的能量密度和成本要求，能夠滿足各種應(yīng)用的需求。“最初我們以為我們可以找到一種單一的化學(xué)物質(zhì)，或者可能是一個(gè)化學(xué)家族，它可以在所有領(lǐng)域發(fā)揮作用，”JCESR主任、阿貢杰出研究員GeorgeCrabtree說(shuō)我們發(fā)現(xiàn)，無(wú)論我們最終設(shè)計(jì)的是什么電池，一刀切的方法永遠(yuǎn)不會(huì)真正奏效。”

Crabtree解釋說(shuō)，其中一個(gè)原因是不同類型的電池應(yīng)用需要不同種類的權(quán)衡。一個(gè)適合飛機(jī)的電池需要能夠儲(chǔ)存和產(chǎn)生相當(dāng)大的能量，是鋰離子的數(shù)倍，同時(shí)又非常安全。另一方面，成本不會(huì)是一個(gè)重要因素，他說(shuō)，因?yàn)楣镜倪\(yùn)營(yíng)成本使其資本成本相形見(jiàn)絀。

相反，汽車和輕型卡車的電池只需要儲(chǔ)存足夠的能量，在充電前可以行駛幾百英里，但理想情況下，它們需要能夠快速充電，并且安全、低成本。

阿貢材料科學(xué)家、JCESR研究整合負(fù)責(zé)人林恩·特拉希（LynnTrahey）說(shuō)：“很快就很明顯，你永遠(yuǎn)不會(huì)有一個(gè)電池能給你提供一切。這一設(shè)想在2010年之前一直是鋰離子電池的主要用途。當(dāng)今世界正朝著許多不同的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展，我們需要多種多樣的電池來(lái)為它們提供服務(wù)。”

在JCESR最初五年的研究范圍內(nèi)，研究人員使用了不同電池的經(jīng)濟(jì)模型及其應(yīng)用，為他們的實(shí)驗(yàn)和分析提供了依據(jù)。除了消費(fèi)類電子產(chǎn)品，鋰離子技術(shù)可以很好地滿足這個(gè)市場(chǎng)的需求，JCESR的科學(xué)家們對(duì)突破性的儲(chǔ)能技術(shù)如何改變美國(guó)經(jīng)濟(jì)和我們的生活方式采取了最廣泛的觀點(diǎn)。

運(yùn)輸用電池和電網(wǎng)用電池的需求相差很大。當(dāng)太陽(yáng)不亮或風(fēng)不吹的時(shí)候，科學(xué)家們可以使用大而便宜的電池，而不是那些適合電動(dòng)汽車的電池。

對(duì)于這種網(wǎng)格存儲(chǔ)，JCESR的科學(xué)家們研究了氧化還原流電池的使用，與鋰電池不同，這種電池使用液體而不是固體電極。氧化還原流電池得名于這樣一個(gè)事實(shí)：流動(dòng)的液體使電池的一邊電化學(xué)地減少，或變得更負(fù)，而另一邊電化學(xué)氧化，或變得更積極，因?yàn)殡姵爻潆娀蚍烹姟?/p>

氧化還原液流電池的基本概念非常簡(jiǎn)單，兩種不同的帶電液體在兩個(gè)槽之間循環(huán)，同時(shí)在兩組槽之間的電化學(xué)電池中通過(guò)傳輸膜共享離子。然而，Crabtree說(shuō)，由于這種流體在水基溶液中通常是無(wú)機(jī)鹽，所以它們的能量密度和節(jié)約成本的潛力是有限的。

為了克服氧化還原液流電池的這些局限性，JCESR的科學(xué)家們想看看它們是否可以使用有機(jī)分子作為基礎(chǔ)。為此，他們開發(fā)了一組稱為“氧化還原劑”的分子，這是一種有機(jī)聚合物，在有機(jī)溶劑中使用時(shí)可以提高電池電壓。

特拉希說(shuō)：“氧化還原爐最棒的地方在于它們數(shù)量眾多，用途廣泛。有成千上萬(wàn)種不同的有機(jī)分子，它們可以用上千種不同的方式進(jìn)行配置。當(dāng)我們探索這個(gè)廣闊的空間時(shí)，我們會(huì)了解到哪些配置能夠?qū)崿F(xiàn)我們想要的目標(biāo)性能，例如高壓、快速充電、高安全性或低成本。機(jī)器學(xué)習(xí)，即計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)產(chǎn)生高電池性能的原子和分子特征，極大地加快了新材料和更好材料的發(fā)現(xiàn)。”

就像電網(wǎng)一樣，運(yùn)輸用電池必須有多種用途。JCESR的科學(xué)家們研究過(guò)鋰氧電池、鋰硫電池和“多價(jià)離子”電池。與鋰離子的電荷為+1不同，多價(jià)離子的電荷為+2或+3，使它們?cè)诿看瓮ㄟ^(guò)電池時(shí)都能進(jìn)行更多的電化學(xué)工作。只要能找到合適的材料組合，這些電池都有望以比鋰離子電池更低的成本獲得更高的能量密度。

JCESR早年的一個(gè)重要教訓(xùn)是如何找到合適的材料。雖然有許多候選人，但也有許多表現(xiàn)要求和許多不必要的副作用，往往阻止一個(gè)有前途的候選人取得分?jǐn)?shù)。

近年來(lái)，JCESR的經(jīng)營(yíng)理念發(fā)生了變化。JCESR的研究人員沒(méi)有試圖尋找專門針對(duì)特定技術(shù)需求的電池化學(xué)試劑，而是用“自上而下”的方法來(lái)?yè)Q取“自下而上”的方法，即他們專注于原子和分子水平上不同化學(xué)過(guò)程的基礎(chǔ)研究。

Crabtree說(shuō)：“我們的想法是為了更好地理解儲(chǔ)能的材料和現(xiàn)象，以便我們能夠?yàn)楦鞣N應(yīng)用設(shè)計(jì)各種各樣的電池。在原子和分子水平上對(duì)儲(chǔ)能有著廣泛的了解，這是一項(xiàng)新功能，使我們能夠按原子和分子定制設(shè)計(jì)電池，并滿足任何應(yīng)用的整體電池性能要求。”

“利用先進(jìn)的光源和機(jī)器學(xué)習(xí)等最先進(jìn)的技術(shù)，我們可以探索電池化學(xué)的一些我們從未預(yù)料到的領(lǐng)域。這太令人興奮了。”特拉希補(bǔ)充道。