全世界都在等待電池領(lǐng)域可以有所突破。幾乎電子行業(yè)的每一個部分都需要電池，都受到電池的功率輸出和能量壽命的限制。

“電池的發(fā)展或進(jìn)步比其他領(lǐng)域慢得多，這是電池本身的局限性。”《電源雜志( Journal of Power Sources)》主編Stefano Passerini說， “你不能指望有能給手機(jī)供電一周或一個月的電池。說白了，存儲在電池中的最大能量是由固有的元素決定的。”

但這個領(lǐng)域還是有進(jìn)步的。研究人員正在努力提高鋰離子電池的能量密度(電量體積容量比)、價值、安全性、環(huán)境影響以及試用壽命，并在設(shè)計全新類型的電池。

電池主要應(yīng)用于三個行業(yè)：消費(fèi)電子，汽車和電網(wǎng)存儲。

能源存儲研究聯(lián)合中心(Department of Energy’s Joint Center for Energy Storage Research)研究與開發(fā)副主任Venkat Srinivasan說：“我把以上的三個行業(yè)稱為人們與電池連接的三大領(lǐng)域。每個領(lǐng)域?qū)﹄姵囟加胁煌囊螅虼怂褂玫碾姵匾部赡?有時)大不相同。在你口袋里的手機(jī)需要結(jié)實(shí)、安全的電池，重量和成本倒不用太考慮。而對于汽車電池行業(yè)而言，需要的電池很多，因此成本和重量以及循環(huán)使用壽命(如果新特斯拉每兩年需要更換一次新電池，你會瘋的)就變得十分重要。用于存儲房屋和電網(wǎng)的電力的電池對重量或尺寸要求則不高。

幾十年來，消費(fèi)電子產(chǎn)品——手機(jī)、電腦、相機(jī)、平板電腦、無人機(jī)甚至是手表 ——都使用了鋰離子電池，這是由于鋰電池具有易于充電和高能量密度的特點(diǎn)。在這些電池中，填充有鋰離子的石墨晶格形成陽極。氧化物形成陰極，連接到相對的端口，且兩者由允許離子通過的液體電解質(zhì)分離開來。當(dāng)外部端口連接時，鋰氧化及鋰離子流向陰極。而充電時則情況正好相反。可以以這種方式轉(zhuǎn)移的鋰離子越多，電池的功率就越大。撇開其電池壽命和安全性，鋰電池的尺寸和易用性亦深受人們喜歡。但Passernini表示鋰電池進(jìn)一步優(yōu)化的空間有限。

“現(xiàn)在鋰電池已經(jīng)接近極限，”他說，“雖然我們在10年前已經(jīng)說過同樣的話，而過去10年的改進(jìn)也不小。”

在汽車行業(yè)中，電池最終決定了汽車的壽命，也決定了人們對于電動汽車的恐懼和焦慮。為了解決這個問題，工程師和科學(xué)家正在嘗試將更多的電壓容量填充到電池中。但電壓容量的減少通常與電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)有關(guān)，隨著時間的推移發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)逐漸增多，因而容量也將逐漸減少。大量的研究致力于尋找新的材料和化學(xué)品以輔助或替換鋰離子晶格或電池的其它部分。

Srinivasan指出了一些潛在的創(chuàng)新，這些創(chuàng)新不僅可以用在汽車上：傳統(tǒng)的石墨陽極晶格可以替換為硅，它擁有10倍多的鋰離子。但硅在吸收鋰離子時會膨脹，所以研究者們需要解決這個問題。亦或者鋰金屬可以代替晶格充當(dāng)陽極——但是我們不知道如何防止它在充電時發(fā)生短路。 自鋰電池在幾十年前問世以來，電池制造商一直在努力解決這個問題。“我們非常有希望，如今我們也許可以解決這個有著30年歷史的老大難問題”Srinivasan說。

也許鋰可以完全被替換。研究人員正在尋找使用鈉或鎂來代替，能量存儲研究聯(lián)合中心正在使用計算機(jī)建模，來研究將特定的氧化物材料作為鎂陽極相對應(yīng)的陰極。鎂是非常有優(yōu)點(diǎn)的，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)允許每個原子接受兩個電子，這使得鎂可以儲存的電荷加倍。

Prashant Jain和他在伊利諾伊大學(xué)的合作者正在研究鋰電池的另外一個組成部分：電解質(zhì)。電解質(zhì)是填充陽離子(帶正電的離子)和陰離子(帶負(fù)電的離子)之間的空間并允許帶電粒子流過的流體。很久以前我們就知道，某些固體材料，如硒化銅，也允許離子流動，但不能足夠快地運(yùn)行大功率設(shè)備。化學(xué)助理教授Jain和他的學(xué)生開發(fā)了一種由硒化銅納米顆粒制成的具有不同性質(zhì)的超離子固體。它允許帶電粒子以與在液體電解質(zhì)中相當(dāng)?shù)乃俾柿鲃印?/p>

這種技術(shù)的潛在好處有兩個方面：安全和生命周期。 如果當(dāng)前的鋰離子電池?fù)p壞，電池短路并發(fā)熱，隨后液體蒸發(fā)，沒有任何東西阻止能量的快速釋放。固體將防止短路并可以使用全金屬陽極，從而提供更大的能量容量。另外，在重復(fù)的循環(huán)中，液體電解質(zhì)會溶解陰極和陽極，這是電池最終不能充電的主要原因。

“所有這些漸進(jìn)的改進(jìn)實(shí)際上已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。但是一直以來都沒有一個震驚四座的突破性發(fā)展，固體電解質(zhì)的傳輸能力不比液體差，”Jain說，“但是這會帶來安全問題，也許在使用固體電解質(zhì)這一塊，我們還需要大開腦洞，一擊即中，做出可以完全替代液體電解質(zhì)的東西。”

最初一代鋰電池的共同發(fā)明人之一的德克薩斯大學(xué)工程榮譽(yù)教授約翰·古德諾夫(John Goodenough)正在對固態(tài)電解質(zhì)采取另一個方向的研究，他公布并提交了一種具有玻璃基電解質(zhì)的電池專利申請。通過用鋰或鈉浸漬玻璃，Goodenough已經(jīng)能夠使電流更快地流動，同時還可以利用固體陽極來防止短路和增加能量容量。

所有這些研究都將對我們口袋和汽車?yán)锏碾姵赜杏绊憽５撾姵剡€有第三種用法，而且其影響是全球性的。

Melanie Sanford在不同類型的電池(巨大的氧化還原液流電池)上使用建模工具，這些電池可以存儲可再生能源發(fā)電廠的電力，并在風(fēng)能和太陽能發(fā)電不可使用時釋放能量。晚上能源生產(chǎn)和消費(fèi)的高低將幫助可再生能源擴(kuò)大規(guī)模，其不僅僅充當(dāng)備用電力這樣的角色。

南加利福尼亞州的愛迪生已經(jīng)在使用特斯拉汽車電池試驗(yàn)電池庫，但因?yàn)殡姵厥莻鹘y(tǒng)的基于鋰離子的電池，成本太高無法在全球可再生能源層面大規(guī)模推廣。此外，電網(wǎng)電池的限制與汽車有很大的不同，重量和尺寸不是問題，但價格和生命周期卻是需要考慮的問題。

在氧化還原液流電池中，能量儲存材料以液體形式保持在大容器中，然后泵送到較小的電池，并與具有相反電荷的類似物發(fā)生反應(yīng)。計算機(jī)建模已經(jīng)允許Sanford的實(shí)驗(yàn)室定制設(shè)計有機(jī)分子，使其容納量提高了上千倍——這些分子保持穩(wěn)定的時間從少于一天到幾個月。

“電網(wǎng)規(guī)模的電源需要的是超便宜的材料，因?yàn)槲覀冞@里所說的電池是非常大的，”Sanford說， “我們現(xiàn)在所說的是風(fēng)力發(fā)電場以及相應(yīng)規(guī)模的儲存電池的倉庫。”

據(jù)Sanford介紹，創(chuàng)新方向主要是通過材料科學(xué)開發(fā)可用于電池的新材料，另一方面的創(chuàng)新需要工程師建設(shè)使這些材料更高效的系統(tǒng)。兩者都是不可或缺的，但從研究到生產(chǎn)的過程必然會是另一個瓶頸。

“每個人都應(yīng)該意識到，沒有一種電池可以適用于所有的場景，”Passerini說， “很明顯，即使只是提高10%或者20%的性能就已經(jīng)非常了不起了。我們必須在這個領(lǐng)域里繼續(xù)研究，科學(xué)家們需要大家的支持。”