世界上有比以人更多的是手機(jī)。幾乎所有這些電池都由可充電鋰離子電池供電，這是過(guò)去幾十年來(lái)發(fā)展的便攜式電子產(chǎn)品革命中最重要的部分。如果這些設(shè)備沒有足夠的電力持續(xù)至少幾個(gè)小時(shí)而沒有特別沉重，那么這些設(shè)備對(duì)用戶來(lái)說(shuō)并不吸引人。

鋰離子電池還可用于大型應(yīng)用，例如電動(dòng)車輛和智能電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)。尋求改進(jìn)鋰離子電池的材料科學(xué)創(chuàng)新研究人員為更多具有更好性能的電池鋪平了道路。需要不會(huì)著火或爆炸的高容量電池。許多人夢(mèng)想能夠在幾分鐘甚至幾秒鐘內(nèi)充電的更小，更輕的電池，并且可以存儲(chǔ)足夠的能量來(lái)為設(shè)備供電數(shù)天。

然而，像我這樣的研究人員正在考慮更多的冒險(xiǎn)精神。如果汽車和電網(wǎng)存儲(chǔ)系統(tǒng)可以在數(shù)年甚至數(shù)十年內(nèi)放電和充電數(shù)萬(wàn)次，那就更好了。維護(hù)人員和客戶會(huì)喜歡能夠監(jiān)控自己并在發(fā)生故障時(shí)發(fā)送警報(bào)的電池-如果他們不能以最佳性能工作-甚至是自我修復(fù)。我們的夢(mèng)想是將兩用電池集成到物品的結(jié)構(gòu)中，有助于塑造智能手機(jī)，汽車或建筑物的形狀，同時(shí)不會(huì)給它的功能帶來(lái)太大的影響。

所有這一切都有可能，因?yàn)槲业难芯亢推渌艘呀?jīng)幫助科學(xué)家和工程師更好地控制和處理單一原子級(jí)材料。

新興材料

在大多數(shù)情況下，能量?jī)?chǔ)存的進(jìn)步將取決于材料科學(xué)的持續(xù)發(fā)展，推動(dòng)現(xiàn)有電池材料的性能極限以及開發(fā)全新的電池結(jié)構(gòu)和組合物。

電池行業(yè)一直致力于降低鋰離子電池的成本，包括從陰極中去除昂貴的鈷，稱為陰極。這也將降低這些電池的勞動(dòng)力成本，因?yàn)槭澜缟显S多主要的鈷來(lái)源剛果都使用兒童從事艱苦的手工勞動(dòng)。

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。最后，他們可以用錳代替鎳。這些金屬中的每一種都比其前身更便宜，更豐富，更安全。但它們需要稱重，因?yàn)樗鼈兙哂锌s短電池壽命的化學(xué)特性。

體積90％另請(qǐng)參閱：此鋰離子電池為智能手表提供平坦，彎曲和扭曲的配置。

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

我的研究團(tuán)隊(duì)研究了使用二維材料的可能性，這些材料本質(zhì)上是極薄的材料，具有有用的電子特性。石墨烯可能是其中最著名的-一塊碳只有一個(gè)原子厚。我們想要看看各種2D材料的堆疊層是否然后用水或其他導(dǎo)電液體滲透堆疊可以是電池的關(guān)鍵部件并且可以非常快速地充電。

看著電池里面

它不僅僅是一種擴(kuò)展電池創(chuàng)新世界的新材料：新的設(shè)備和方法也使研究人員更容易看到電池內(nèi)部發(fā)生了什么。

在過(guò)去，研究人員使用特定的充電和放電過(guò)程或循環(huán)時(shí)間來(lái)運(yùn)行電池，然后從電池中取出材料并在之后進(jìn)行檢查。只有這樣，學(xué)者才能了解過(guò)程中發(fā)生了什么化學(xué)變化，并推斷出電池的實(shí)際運(yùn)行情況以及影響其性能的因素。

石墨烯會(huì)成為超級(jí)鋰電池的原材料的原因

由同步電子設(shè)備產(chǎn)生的X射線可以照亮電池的內(nèi)部工作。

但現(xiàn)在，研究人員可以在電池材料通過(guò)能量存儲(chǔ)過(guò)程時(shí)查看電池材料并實(shí)時(shí)分析其原子結(jié)構(gòu)和成分。我們可以使用復(fù)雜的光譜技術(shù)，如X射線技術(shù)，用于稱為同步加速器的粒子加速器-以及電子顯微鏡和掃描探針-，以便在儲(chǔ)存和釋放能量時(shí)觀察電池中的離子運(yùn)動(dòng)和物理結(jié)構(gòu)變化。