2021年最具创意的电池技术突破

从手机到笔记本电脑，再到电动汽车和飞机，锂离子电池充当了现代世界的动力源，每一个能提高锂离子电池性能的科学突破都是重要的。例如，其中一些来自于对替代材料进行试验的渐进进步，而另一些来自于从头开始对整个设备及其工作方式的重新想象。2021年，研究人员以各种方式跳出固有思维，取得了一系列惊人的发现。让我们来看看这一年最有创意和最有趣的例子吧。

开放更快的充电

科学家们希望提高电池充电率的方法之一，是在阳极（两个电极之一）上使用多孔结构。这提供了一个与运输锂离子的液体电解质更大的接触面积，使它们更容易在材料中扩散，有可能会使电池充电更快。

去年11月，特温特大学（University of Twente）的科学家们用一种名为铌酸镍（nickel niobate）的材料制作了一种阳极材料，使我们看到了这项技术的一个有前景的新进展。它具有“开放和规则”的晶体结构，具有相同的、重复的通道，这使它成为离子传输的理想材料。

科学家们发现，这种电池的充电速度非常快，比现在的锂离子电池快10倍。这是迄今为止在该领域提出的多孔材料的一个显著改进，多孔材料的特点是无序和随机的通道，导致结构在充电过程中坍塌和电池失效。作为一种甜味剂，研究人员指出，铌酸镍的体积密度比今天阳极使用的石墨更高，这也可能导致商业电池更轻，更紧凑。

让锂起死回生

当电池循环时，锂离子在两个电极之间来回移动，但并不是所有的锂离子都能完成整个过程。这就导致了电化学上不活跃的锂“岛”在两者之间形成，这些“岛”仍然与电极断开，这些“团块”会导致设备的存储容量下降，甚至会导致设备着火。

上图：重新激活“死”锂岛可以扩大电动汽车的使用范围，延长电子设备的电池寿命。

在最近一个有趣的进展中，斯坦福大学的科学家们发现了一种方法，不仅可以中和这些具有破坏性的废锂块，还可以使它们恢复活力，从而提高电池的性能。研究小组发现，在充电过程中，通过增加一个高电流电压，可以促使这种不活跃的锂离子启动，使其“像蠕虫一样”蠕动，并重新与电极连接，从而将电池的使用寿命提高30%。

根据研究小组的说法，这一突破可能会使快速充电电池或可充电电池的设计得到改进，具有更大的容量和寿命。有趣的是，他们指出，废弃的锂岛问题对于下一代锂金属电池来说是一个真正的问题，因为锂金属电池有潜力储存10倍以上的能量，所以这一突破可能会带来新的解决方案，解锁这个非常有前途的结构。

风格类似BLT的电池

科学家们之所以能在锂金属电池中看到如此巨大的潜力，原因之一是锂金属电池的容量和能量密度远高于石墨和铜。在哈佛大学材料科学家李鑫（音译）看来，这是一种“圣杯”，他在今年5月推出了一种新型的三明治式电池，可以克服目前困扰锂金属设计的一些稳定性问题。

上图：研究人员将他们的电池设计比作BLT三明治。

这些稳定性问题源于充电时锂金属阳极上形成的针状突起，这种突起被称为枝晶，会导致电池性能下降，导致电池失效甚至起火。为了解决这个问题，研究人员将电池的液体电解质换成了一对固体电解质，这两种电解质被层在一起，形成blt式的三明治，在枝晶形成时安全地控制和遏制它们。

此外，这种三明治式电池还能填满枝晶形成的空隙。在测试中，该团队发现，在10000次循环后，它仍能保持82%的容量，最令人鼓舞的是，它展示了一种可以让电动汽车在20分钟内充满电的电流密度。

大自然有答案吗？

去年10月，我们研究了另一种解决锂金属电池稳定性问题的有趣方法，美国的一组科学家转向大自然寻求灵感。这一突破再次依赖于使用固体电解质，而不是液体电解质来携带电荷的概念，科学家们使用从木材中提取的纤维素纳米纤维作为他们的起点。

上图：科学家们利用在木材中发现的纤维素纳米纤维作为新电池电解液的基础。

这些微型聚合物管与铜结合形成了一个固体离子导体，其特点是在聚合物链之间有微小的开口，作为“离子高速公路”，使锂离子以创纪录的效率移动。这意味着，这种材料的电导率是其他聚合物离子导体的10到100倍。研究人员还说，由于这种材料像纸一样薄，而且有弹性，所以电解液可以更好地承受电池循环的压力，并能承受锂金属结构的环境。

旧设计的新面貌

碱金属-氯电池在20世纪70年代就已经出现了，它具有很高的能量密度，但由于氯的高度活性，它只能使用一次。今年8月，斯坦福大学的科学家们找到了一种稳定这些反应的方法，并让这些高密度电池能够重新充电。

上图：科学家开发了一种氯基原型电池，其容量是当今锂离子电池的六倍。

该溶液由一种由多孔碳制成的新型电极材料组成，这种材料能吸收不稳定的氯分子，并安全地将它们转化为氯化钠，即它们在放电前的原始形态。这种循环可以在一种实验电池中重复200次，这种电池的密度大约是当今锂离子技术的6倍。

少即是多

如果这一点还不清楚的话，锂金属电池是这一领域科学家的一个关键关注点，早在6月，我们就看到研究人员将它们带入了破纪录的领域。该团队专注于所谓的固体电解质界面（SEI），它是阳极上的一层薄膜，在循环过程中通过控制哪些分子从电解质中进入起到了重要的把关作用。

上图：美国科学家已经开发出一种新型锂金属电池，其功能保持在600次循环以上。

在目前的设计中，阳极周围会发生复杂的反应，影响SEIS的性能，但美国能源部太平洋西北国家实验室（PNNL）的科学家们发现了一种新的解决方案，它是一种非常薄的锂条，宽度约为20微米，远远比人的头发还薄。它们被用作具有SEI的阳极的基础，SEI与电解质的相互作用比具有更厚的条的阳极更健康，后者抑制了重要的电化学反应。

上图：左图显示，电解液（蓝色）填充在薄锂阳极内的一个口袋中，产生了绿色的有效SEI，而较厚的锂阳极的SEI基本无效。

该团队的原型袋电池以这种阳极为特色，在创纪录的600次循环中保持了76%的容量，能量密度为350Wh/kg。作为参考，目前使用的同类最好的锂离子电池的密度为250至300Wh/kg。

就像填补一个洞

早在3月份，我们就看到了另一个有趣的例子，即使用固体电解质而不是液体电解质的电池，该设计据称克服了这一领域的一些关键障碍。这种电池的特点是由钠钾合金制成的“半固态”电极，研究人员将其比作牙医用来填补龋齿的材料，因为它坚固，但能够流动和成型。

上图：金属电极（有纹理的内圈）位于固体电解质的灰色圆盘上，表面开始形成枝晶。

当这种材料与固体电解质接触时，它有适量的屈服，以防止在更坚硬和脆的电极材料上形成的类型的裂缝。这种自愈材料防止了破坏性枝晶的形成，并且允许比其他固态电池高得多的电流密度 （大约是固态电池的20倍），为更高的充电率铺平了道路。

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