新材料正在推动电池革命

有更多的手机世界不是还有人。几乎所有的人都被供电可充电锂离子电池这是过去几十年里推动便携式电子产品革命的最重要的一个组件。如果这些设备没有足够的电力维持至少几个小时，而且还不是特别重，那么它们对用户就没有吸引力。

锂离子电池在更大的应用中也很有用，比如电动车和电动车智能电网储能系统。研究人员在材料科学方面的创新，试图改善锂离子电池，为更多性能更好的电池铺平了道路。需求已经形成高容量电池，不会着火或爆炸。许多人梦想着更小、更轻的电池，在几分钟甚至几秒钟内就能充电，而且还能储存足够为一个设备提供几天的能量。

像我这样的研究人员不过，他们的想法更加大胆。如果可以的话，汽车和电网存储系统将会更好充放电数万次许多年，甚至几十年。维修人员和客户都会喜欢能够自我监控的电池，如果电池损坏或在最高性能时不再工作，甚至能够自我修复，电池就会发出警报。此外，把双用途电池集成到一件物品的结构中，帮助塑造智能手机、汽车或建筑物的形状，同时为其功能提供动力，这种想法再怎么美好也不为过。

所有这一切成为可能作为我的研究和别人的帮助科学家和工程师们变得比以往的控制，并在单个原子的尺度处理此事更擅长。

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持续发展，推动现有电池材料性能的极限，开发全新的电池结构和组成。

电池行业已经开始着手降低锂离子电池的成本，包括将昂贵的钴从正极(阴极)中去除。这也会减少这些电池的人力成本刚果是世界上钴的主要来源，让孩子做困难的体力劳动。

电池行业已经开始着手降低锂离子电池的成本，包括将昂贵的钴从正极(阴极)中去除。

研究人员正在寻找用镍制阴极取代含钴材料的方法。最终，他们可能会用锰来代替镍。每一种金属都比它的前辈更便宜、更丰富、更安全。但这是有代价的缩短电池寿命的化学特性。

研究人员也在研究替换锂离子在两个电极之间的穿梭用离子和电解质，其可以更便宜，可能更安全，例如基于钠，镁，锌或铝的那些。

我的研究小组着眼于使用二维材料的可能性，本质上是具有有用电子特性的极薄物质薄片。石墨烯可能是其中最著名的——只有一个原子厚度的碳片。我们想看看是否可以叠加各种二维材料层，然后用水渗入烟囱或者其他导电液体可以成为电池快速充电的关键部件。

查看电池内部

不仅新材料拓展了电池创新领域，新设备和新方法也让研究人员比以前更容易地了解电池内部发生了什么。

在过去，研究者遇到通过特定的充放电过程中的电池为一个数目的循环，然后从电池移除的材料和事后检查它。只有到那时，学者学习什么化学变化过程，并推断过程中发生了电池如何实际工作和什么影响其性能。

由同步加速器产生的x射线可以照亮电池的内部工作原理。CLS研究室/ Flickr的,CC冲锋队

但是现在，研究人员可以观察电池材料在能量存储过程中的变化，甚至可以实时分析它们的原子结构和组成。我们可以使用复杂的光谱学技术，比如x射线技术，这种技术可以用一种叫做a的粒子加速器同步加速器以及电子显微镜和扫描探针手表离子移动和物理结构变化因为能量储存在电池中，并从材料中释放出来。

这些方法让像我一样的研究人员可以想象新的电池结构和材料，制造它们，然后看看效果如何。这样，我们就能继续电池材料的革命。