ä¸è¦å²ç¬æåçæ§
目录:
世界上有比以往更多的手机。几乎所有这些电池都由可充电锂离子电池供电，这是过去几十年中实现便携式电子产品革命的最重要组成部分。如果这些设备没有足够的功率可以持续至少几个小时而不会特别沉重，那么这些设备都不会对用户有吸引力。
锂离子电池也可用于大型应用，如电动汽车和智能电网储能系统。研究人员在材料科学方面的创新，寻求改进锂离子电池，为更多具有更好性能的电池铺平了道路。已经有需求形成不会着火或爆炸的高容量电池。许多人都梦想着能够在几分钟甚至几秒钟内充电的更小，更轻的电池，而且能够存储足够的能量来为设备供电数天。
不过，像我这样的研究人员正在考虑更具冒险精神。如果汽车和电网存储系统可以在多年甚至几十年内放电和充电数万次，那就更好了。维护人员和客户会喜欢能够监控自己并在发生故障时发送警报的电池 - 如果它们在最佳性能下不能正常工作 - 甚至能够自我修复。梦想将两用电池集成到物品结构中，有助于塑造智能手机，汽车或建筑物的形状，同时为其功能提供动力也不会太多。
所有这些都可能成为可能，因为我的研究和其他人帮助科学家和工程师变得更加擅长控制和处理单个原子尺度的物质。
新兴材料
在大多数情况下，能量储存的进步将依赖于材料科学的持续发展，推动现有电池材料的性能极限并开发全新的电池结构和组合物。
电池行业已经在努力降低锂离子电池的成本，包括从正极去除昂贵的钴，称为阴极。这也将降低这些电池的人力成本，因为世界上主要的钴来源刚果的许多地雷使用儿童从事困难的手工劳动。
另请参阅：这款半电池，半太阳能电池混合动力车可能会改变游戏规则
研究人员正在寻找用主要由镍制成的阴极代替含钴材料的方法。最终，他们可以用锰代替镍。与其前身相比，这些金属中的每一种都更便宜，更丰富，更安全。但他们需要权衡，因为它们具有缩短电池寿命的化学特性。
研究人员还在考虑用可能更便宜且更安全的离子和电解质替换在两个电极之间穿梭的锂离子，如基于钠，镁，锌或铝的那些。
我的研究小组研究了使用二维材料的可能性，这些材料基本上是极薄的具有有用电子特性的物质。石墨烯可能是其中最着名的 - 一片碳只有一个原子厚。我们想看看是否堆叠各种二维材料的层，然后用水或其他导电液体渗透堆叠可能是电池的关键组件，可以非常快速地充电。
看着电池里面
它不仅仅是扩展电池创新世界的新材料：新的设备和方法也让研究人员能够比以往更容易地看到电池内部发生的情况。
过去，研究人员通过特定的充放电过程或循环次数运行电池，然后从电池中取出材料并在事后检查。只有这样，学者才能了解在此过程中发生了什么化学变化，并推断电池实际工作情况以及影响其性能的因素。
但现在，研究人员可以在电池材料经历能量存储过程时观察电池材料，实时分析其原子结构和成分。我们可以使用复杂的光谱技术，例如可用于称为同步加速器的粒子加速器的X射线技术 - 以及电子显微镜和扫描探针 - 观察离子移动和物理结构随着能量储存和释放材料而变化在电池里。
另请参阅：电池突破如何导致电动汽车以秒为单位充电
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，看看它们的工作情况有多好。这样，我们就能够保持电池材料的革命。
本文最初发表于Veronica Augustyn的The Conversation。阅读原文。