新兴材料正在助推电池发展

世界上的手机比人还多。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那么特别沉重，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，试图改进锂离子电池，正在为更多性能更好的电池铺平道路。已经具有可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快，更轻的电池，而且能够存储足够的能量来为设备供电数天。

研究人员正在更加大胆地思考。如果汽车和电网存储系统能够在多年甚至几十年内放电和充电数万次的话，那样电池的发展情况会更好。维护人员和客户更希望电池能够自我监控，并在电池损坏或无法达到最佳性能时发出警报，甚至能够自我断电并进行自行修复。而且，将两用电池集成到产品结构中，既有助于塑造智能手机、汽车或建筑的外形，又能为其功能提供动力。

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，包括从被称为阴极的正极上去除昂贵的钴。这也会降低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都是使用儿童来做艰难的体力劳动而得来的。

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，锌或铝的锂离子。

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。

看着里面的电池

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。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。

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。