新材料正在推动电池革命

有世界上有更多的手机比人还多。它们几乎都是由电力驱动的可充电锂离子电池，是过去几十年推动便携式电子革命的最重要的组成部分。如果这些设备没有足够的电力维持至少几个小时，而不是特别沉重，那么它们对用户都不会有吸引力。

锂离子电池在更大的应用中也很有用，如电动汽车和电动汽车智能电网储能系统. 研究人员在材料科学方面的创新，寻求改进锂离子电池，正在为更多性能更好的电池铺平道路。现在已经有了需求形成高容量电池，不会着火或爆炸. 许多人都梦想着更小、更轻的电池，可以在几分钟甚至几秒钟内充电，还可以储存有足够的能量为一台设备供电数天.

像我这样的研究人员不过，他们的思维更具冒险精神。如果可以，汽车和网格存储系统会更好放电和充电数万次很多年，甚至几十年。维护人员和客户会喜欢电池，它们可以自我监控，并在电池损坏或不再以最高性能工作时发出警报，甚至可以自行修复。而且，将两用电池集成到一件物品的结构中，帮助塑造智能手机、汽车或建筑的形状，同时为其功能提供动力，这样的梦想也不算太多。

随着我的研究和其他人的帮助，科学家和工程师们在控制和处理单个原子尺度的物质方面变得越来越熟练，所有这些都可能成为可能。

新兴材料

在很大程度上，储能技术的进步将依赖于材料科学的不断发展，突破现有电池材料的性能极限，开发全新的电池结构和成分。

电池行业已经在努力降低锂离子电池的成本，包括从正极（阴极）中去除昂贵的钴。这也会降低成本这些电池的人力成本因为世界上钴的主要来源刚果的许多矿山，利用儿童从事困难的体力劳动.

电池行业已经在努力降低锂离子电池的成本，包括从正极（阴极）中去除昂贵的钴。

研究人员正在寻找用主要由镍制成的阴极取代含钴材料的方法。最终，他们可能会用锰来代替镍。这些金属中的每一种都比其前身更便宜、更丰富、更安全。但他们有一个权衡，因为他们有缩短电池寿命的化学性质.

研究人员也在研究更换在两个电极之间穿梭的锂离子使用可能更便宜、更安全的离子和电解质，例如基于钠、镁、锌或铝的离子和电解质。

我的研究小组研究使用二维材料的可能性，基本上是具有有用电子特性的极薄物质片。石墨烯也许是其中最著名的一种——一片只有一个原子厚的碳。我们想看看是否把各种二维材料叠起来然后用水渗透烟囱或者其他导电液体可能是快速充电电池的关键部件。

查看电池内部

不仅仅是新材料拓展了电池创新的领域：新设备和新方法也让研究人员比以往更容易看到电池内部发生的事情。

在过去，研究人员让一个电池经过一个特定的充放电过程，循环若干次，然后从电池中取出材料，事后对其进行检查。只有这样，学者们才能了解在这一过程中发生了什么化学变化，并推断出电池的实际工作方式以及影响其性能的因素。

同步加速器产生的X射线可以照亮电池的内部工作。CLS研究办公室/flickr,CC BY-SA

但现在，研究人员可以在电池材料经历储能过程时观察它们，甚至可以实时分析它们的原子结构和成分。我们可以使用复杂的光谱技术，比如X射线技术，这种技术可以与一种叫做a的粒子加速器一起使用同步加速器-以及电子显微镜和扫描探针观察离子移动和物理结构变化当能量储存在电池材料中并从中释放时。

这些方法让像我这样的研究人员想象出新的电池结构和材料，制造它们，并观察它们的工作情况。这样，我们就可以继续推进电池材料革命。