多年來，電池能效越來越高，但是研究人員仍然致力于繼續(xù)尋找改進原始設計的方法。在許多日常設備中，不管它們是可充電的還是植入機器中的，電池仍然是主要的電源。尤其是電動汽車和某些類型的機器人，都是依靠電池才能正常工作的新興技術(shù)。改進電池設計以延長電池壽命，仍然是重中之重。多所大學的研究人員正在牽頭進行技術(shù)改進，而這項技術(shù)的核心，并沒有發(fā)生太大變化。

固態(tài)電池的改進

康奈爾大學的研究人員最近開展了一項研究旨在改進固態(tài)電池的設計。研究人員從液態(tài)電解質(zhì)開始，將其轉(zhuǎn)化為電化學電池內(nèi)部的固態(tài)聚合物，從而提高了固態(tài)電池的設計水平。研究人員利用液體和固體的特性，來克服當前電池設計中的關(guān)鍵限制。這項研究與尋求可充電電池技術(shù)，以安全地為電動汽車、自動駕駛汽車和機器人等下一代產(chǎn)品提供電源的行業(yè)需求不謀而合。

康奈爾大學的博士后研究員Qing Zhao解釋說：“想像一下裝滿冰塊的玻璃杯：有些冰會接觸到玻璃杯，但是它們之間仍然有空隙。但是，如果您將玻璃裝滿水并將其冷凍，空隙將被完全覆蓋，在玻璃的固體表面與液體之間，建立起牢固的聯(lián)系。在電池設施中，也有類似的概念，可以幫助離子從整個電池電極的固體表面上轉(zhuǎn)移到電解質(zhì)上去，速率很高，而且無需使用可燃液體。”

該工藝引入了能夠在電化學電池內(nèi)部引發(fā)聚合反應，而不會損害電池其它功能的特殊分子。如果電解質(zhì)是環(huán)狀醚，則該特殊分子可以設計為開環(huán)，從而產(chǎn)生反應性單體鏈，這些單體鏈結(jié)合在一起，形成與醚基本化學性質(zhì)相同的長鏈狀分子。這種固體聚合物在金屬界面處保持緊密連接，就像玻璃中的冰一樣。

固態(tài)電解質(zhì)除了提高電池安全性外，還有利于使用包括鋰和鋁在內(nèi)的金屬作為陽極的下一代電池，實現(xiàn)比當今最先進的電池技術(shù)更多的能量存儲。在這種情況下，固態(tài)電解質(zhì)可防止金屬形成樹枝狀晶體，而這種現(xiàn)象會導致電池短路并導致過熱和故障。

盡管具有潛在的優(yōu)勢，固態(tài)電池至今仍未大規(guī)模生產(chǎn)。原因包括高昂的制造成本和早前設計中的不良界面性能。由于固態(tài)系統(tǒng)對熱變化具有較高的穩(wěn)定性，因此可以在一定程度上避免電池冷卻的需要。

康奈爾大學的這一研究發(fā)現(xiàn)，為制造可用于各種應用場景的固態(tài)電池開辟了一條全新的道路。制造固態(tài)聚合物電解質(zhì)的策略令人興奮，因為它顯示出有延長高能量密度可充電金屬電池循環(huán)壽命和充電能力的希望。

鋰電池中的混合陰極

麻省理工學院和中國的研究人員，已經(jīng)開發(fā)了最新的鋰電池關(guān)鍵部件：陰極。此開發(fā)活動是開發(fā)更小、更輕且運行時間更長的電池的廣泛研究的一部分。

研究團隊將其概念描述為“混合”陰極，因為它結(jié)合了兩種現(xiàn)有方法，一種是增加每磅的能量輸出（重量能量密度），另一種是增加每升的能量（體積能量密度）。他們說，這種協(xié)同組合的產(chǎn)物，不但兼具兩者的優(yōu)勢，還具有更多其它優(yōu)勢。

現(xiàn)在的鋰電池傾向于使用由過渡金屬氧化物制成的陰極（電池中兩個電極之一），但硫磺陰極電池被認為是最有可能減輕重量的替代方法。如今，鋰硫電池的設計人員面臨著一個權(quán)衡。

這種電池的陰極，通常通過嵌入型或轉(zhuǎn)換型這兩種制造方式中的一種來制造。嵌入型，使用諸如鈷酸鋰之類的化合物，可提供較高的體積能量密度——由于其密度高，單位體積可以填充更多。這些陰極可以在將鋰原子結(jié)合到其晶體結(jié)構(gòu)中的同時保持其結(jié)構(gòu)和尺寸。

另一種陰極方法稱為轉(zhuǎn)化型，它使用的硫在結(jié)構(gòu)上發(fā)生了轉(zhuǎn)化，甚至可以暫時溶解在電解質(zhì)中。

麻省理工學院核科學與工程學和材料科學與工程學教授Ju Li說：“從理論上講，這些電池具有非常好的重量能量密度，但是體積密度很低。”一部分原因是因為它們需要許多額外材料（包括過量的電解質(zhì)和碳），用于提供導電性。

在混合系統(tǒng)中，研究人員設法使用兩種方法合成一個新的陰極，該陰極結(jié)合了一種叫做Chevrel相的硫化鉬和純硫，它們似乎兼具兩者的優(yōu)點。他們使用了兩種材料的顆粒，并將它們壓制成固體陰極。

“就像炸藥中的引爆劑和TNT一樣，一種是速效的，一種是使每單位重量具有更高能量的方法。”Li說。

其它的優(yōu)點包括，組合材料的電導率相對較高，因此減少了對碳的需求并相應降低了總體積。典型的硫陰極由20％到30％的碳組成，但是新的陰極只需要10％的碳。

使用新材料的最終效果是巨大的。當今商用鋰電池的能量密度，約為每公斤250瓦時和每升700瓦時，而鋰硫電池的最高能量約為每公斤400瓦時，但每升只有400瓦時。Li說，最新尚未經(jīng)過優(yōu)化過程的初始版本，目前已經(jīng)可以達到每公斤360瓦時和每升581瓦時。它在能量密度方面可以擊敗鋰電池和鋰硫電池。

通過進一步的工作，Li說，“我們預計可以達到每公斤400瓦時和每升700瓦時，”后者相當于鋰電池。與致力于開發(fā)大型原型電池的許多實驗相比，該團隊已經(jīng)先行一步：與只測試容量僅為幾毫安時的小型紐扣電池相比，他們已經(jīng)生產(chǎn)了三層聚合物電池，標準容量超過1,000毫安時的電池，可用于電動汽車等產(chǎn)品。這可與某些商用電池相媲美，表明新設備確實符合其預期特性。

使用AI預測電池壽命

到目前為止，在失去太多電能以至于無法正常使用之前，新電池在充放電循環(huán)次數(shù)上還無法媲美鋰電池。在這種情況下，Li說，限制是由于電池設計而不是陰極設計，并且“我們正在努力研究這個問題。”即使目前處于早期階段，這對于某些利基應用也可能有用，例如遠程無人機。在這類應用中，重量和體積都比壽命重要。

多所大學正在努力使各種類型的電池更節(jié)能、更安全，以用于工業(yè)和日常應用。

如果手機電池制造商能夠確定哪些電池至少可以使用兩年，那么他們就能把這些電池賣給手機制造商，剩下的則寄給那些要求較低的設備制造商。新的研究表明制造商是如何做到這一點的。該技術(shù)可用于對制造的電池進行分類，并幫助新的電池設計更快地進入市場。

斯坦福大學、麻省理工學院和豐田研究所的科學家發(fā)現(xiàn)，綜合的實驗數(shù)據(jù)和人工智能相結(jié)合，能夠揭示如何在鋰電池的容量開始下降之前，準確的預測電池的使用壽命。

在研究人員用幾億個電池充電和放電數(shù)據(jù)訓練了機器學習模型之后，該算法可以根據(jù)早期循環(huán)中電壓下降和其它因素，預測每個電池可以持續(xù)多少個循環(huán)。

這些預測均落在電池實際持續(xù)周期數(shù)的9％以內(nèi)。該算法可根據(jù)前5個充電/放電循環(huán)數(shù)據(jù)，將電池的壽命分為長壽命或短壽命。在95％的時間內(nèi)預測都是正確的。這種機器學習方法，可以加速新電池設計的研發(fā)，并減少生產(chǎn)時間和成本。

測試新電池設計的標準方法是實際將電池充電和放電，直到它們失效為止。由于電池使用壽命長，這個過程可能要花費數(shù)月甚至數(shù)年。斯坦福大學材料科學和工程學博士Peter Attia說，“ 這是電池研究中一個昂貴的瓶頸。”

Attia說新方法具有許多潛在的應用。例如，它可以縮短新型電池的驗證時間，這在材料快速發(fā)展的情況下尤其重要。通過分類技術(shù)，可以將為電動汽車設計但使用壽命較短的電池改為為路燈或備用數(shù)據(jù)中心供電。回收商可以從用過的電動車電池組中找到具有足夠容量的電池，以備再次使用。

另一可能性是優(yōu)化電池制造。“制造電池的最后一步稱為‘成型’，這可能需要數(shù)天至數(shù)周的時間。”Attia說，“使用我們的方法，可以大大縮短生產(chǎn)時間并降低生產(chǎn)成本。”

現(xiàn)在，研究人員正在使用他們的模型來優(yōu)化電池以期實現(xiàn)10分鐘內(nèi)充好電的目標，他們說這將使充電時長減少10倍以上。

可充電鋰電池

賓夕法尼亞州立大學的研究人員正在通過使用固態(tài)電解質(zhì)相間界面（SEI），開發(fā)具有更高能量密度、更優(yōu)性能和安全性的可充電鋰金屬電池。隨著對高密度鋰金屬電池需求的增加，SEI的穩(wěn)定性一直是一個關(guān)鍵問題。研究人員說，由于電池鋰電極表面的鹽層會絕緣并傳導鋰離子，因此這方面的研究一度停滯。

“這一層非常重要，它是由鋰和電池中電解質(zhì)之間的反應自然形成的。”參與該研究的機械和化學工程學教授Donghai Wang說：“但是，它的表現(xiàn)并不很好，這會帶來很多問題。”鋰金屬電池中人們最不了解的成分之一，就是SEI的降解，這可能會導致樹突的形成，從而對性能和安全性產(chǎn)生負面影響。

“這就是為什么鋰金屬電池不能持續(xù)更長時間，中間相增長，并且不穩(wěn)定的原因。”Wang說：“在這個項目中，我們使用了聚合物復合材料來創(chuàng)建更好的SEI。”

由化學博士Yue Gao領(lǐng)導研發(fā)的增強型SEI是一種反應性聚合物復合材料，由聚合物鋰鹽、氟化鋰納米顆粒和氧化石墨烯片組成。

使用化學和工程設計，不同領(lǐng)域之間的合作使該技術(shù)能夠以原子級層面控制鋰表面。反應性聚合物還降低了重量和制造成本，進一步加強了鋰金屬電池的美好未來。

有了更穩(wěn)定的SEI，有可能使當前電池的能量密度增加一倍，同時使它們的使用壽命更長、更安全。