從手機到膝上型電腦，再到電動汽車和飛機，鋰離子電池充當了現代世界的動力源，每一個能提高鋰離子電池效能的科學突破都是重要的。例如，其中一些來自於對替代材料進行試驗的漸進進步，而另一些來自於從頭開始對整個裝置及其工作方式的重新想象。2021年，研究人員以各種方式跳出固有思維，取得了一系列驚人的發現。讓我們來看看這一年最有創意和最有趣的例子吧。
開放更快的充電
科學家們希望提高電池充電率的方法之一，是在陽極（兩個電極之一）上使用多孔結構。這提供了一個與運輸鋰離子的液體電解質更大的接觸面積，使它們更容易在材料中擴散，有可能會使電池充電更快。
去年11月，特溫特大學（University of Twente）的科學家們用一種名為鈮酸鎳（nickel niobate）的材料製作了一種陽極材料，使我們看到了這項技術的一個有前景的新進展。它具有“開放和規則”的晶體結構，具有相同的、重複的通道，這使它成為離子傳輸的理想材料。
科學家們發現，這種電池的充電速度非常快，比現在的鋰離子電池快10倍。這是迄今為止在該領域提出的多孔材料的一個顯著改進，多孔材料的特點是無序和隨機的通道，導致結構在充電過程中坍塌和電池失效。作為一種甜味劑，研究人員指出，鈮酸鎳的體積密度比今天陽極使用的石墨更高，這也可能導致商業電池更輕，更緊湊。
讓鋰起死回生
當電池迴圈時，鋰離子在兩個電極之間來回移動，但並不是所有的鋰離子都能完成整個過程。這就導致了電化學上不活躍的鋰“島”在兩者之間形成，這些“島”仍然與電極斷開，這些“團塊”會導致裝置的儲存容量下降，甚至會導致裝置著火。
上圖：重新啟用“死”鋰島可以擴大電動汽車的使用範圍，延長電子裝置的電池壽命。
在最近一個有趣的進展中，斯坦福大學的科學家們發現了一種方法，不僅可以中和這些具有破壞性的廢鋰塊，還可以使它們恢復活力，從而提高電池的效能。研究小組發現，在充電過程中，透過增加一個高電流電壓，可以促使這種不活躍的鋰離子啟動，使其“像蠕蟲一樣”蠕動，並重新與電極連線，從而將電池的使用壽命提高30%。
根據研究小組的說法，這一突破可能會使快速充電電池或可充電電池的設計得到改進，具有更大的容量和壽命。有趣的是，他們指出，廢棄的鋰島問題對於下一代鋰金屬電池來說是一個真正的問題，因為鋰金屬電池有潛力儲存10倍以上的能量，所以這一突破可能會帶來新的解決方案，解鎖這個非常有前途的結構。
風格類似BLT的電池
科學家們之所以能在鋰金屬電池中看到如此巨大的潛力，原因之一是鋰金屬電池的容量和能量密度遠高於石墨和銅。在哈佛大學材料科學家李鑫（音譯）看來，這是一種“聖盃”，他在今年5月推出了一種新型的三明治式電池，可以克服目前困擾鋰金屬設計的一些穩定性問題。
上圖：研究人員將他們的電池設計比作BLT三明治。
這些穩定性問題源於充電時鋰金屬陽極上形成的針狀突起，這種突起被稱為枝晶，會導致電池效能下降，導致電池失效甚至起火。為了解決這個問題，研究人員將電池的液體電解質換成了一對固體電解質，這兩種電解質被層在一起，形成blt式的三明治，在枝晶形成時安全地控制和遏制它們。
此外，這種三明治式電池還能填滿枝晶形成的空隙。在測試中，該團隊發現，在10000次迴圈後，它仍能保持82%的容量，最令人鼓舞的是，它展示了一種可以讓電動汽車在20分鐘內充滿電的電流密度。
大自然有答案嗎？
去年10月，我們研究了另一種解決鋰金屬電池穩定性問題的有趣方法，美國的一組科學家轉向大自然尋求靈感。這一突破再次依賴於使用固體電解質，而不是液體電解質來攜帶電荷的概念，科學家們使用從木材中提取的纖維素奈米纖維作為他們的起點。
上圖：科學家們利用在木材中發現的纖維素奈米纖維作為新電池電解液的基礎。
這些微型聚合物管與銅結合形成了一個固體離子導體，其特點是在聚合物鏈之間有微小的開口，作為“離子高速公路”，使鋰離子以創紀錄的效率移動。這意味著，這種材料的電導率是其他聚合物離子導體的10到100倍。研究人員還說，由於這種材料像紙一樣薄，而且有彈性，所以電解液可以更好地承受電池迴圈的壓力，並能承受鋰金屬結構的環境。
舊設計的新面貌
鹼金屬-氯電池在20世紀70年代就已經出現了，它具有很高的能量密度，但由於氯的高度活性，它只能使用一次。今年8月，斯坦福大學的科學家們找到了一種穩定這些反應的方法，並讓這些高密度電池能夠重新充電。
上圖：科學家開發了一種氯基原型電池，其容量是當今鋰離子電池的六倍。
該溶液由一種由多孔碳製成的新型電極材料組成，這種材料能吸收不穩定的氯分子，並安全地將它們轉化為氯化鈉，即它們在放電前的原始形態。這種迴圈可以在一種實驗電池中重複200次，這種電池的密度大約是當今鋰離子技術的6倍。
少即是多
如果這一點還不清楚的話，鋰金屬電池是這一領域科學家的一個關鍵關注點，早在6月，我們就看到研究人員將它們帶入了破紀錄的領域。該團隊專注於所謂的固體電解質介面（SEI），它是陽極上的一層薄膜，在迴圈過程中透過控制哪些分子從電解質中進入起到了重要的把關作用。
上圖：美國科學家已經開發出一種新型鋰金屬電池，其功能保持在600次迴圈以上。
在目前的設計中，陽極周圍會發生複雜的反應，影響SEIS的效能，但美國能源部太平洋西北國家實驗室（PNNL）的科學家們發現了一種新的解決方案，它是一種非常薄的鋰條，寬度約為20微米，遠遠比人的頭髮還薄。它們被用作具有SEI的陽極的基礎，SEI與電解質的相互作用比具有更厚的條的陽極更健康，後者抑制了重要的電化學反應。
上圖：左圖顯示，電解液（藍色）填充在薄鋰陽極內的一個口袋中，產生了綠色的有效SEI，而較厚的鋰陽極的SEI基本無效。
該團隊的原型袋電池以這種陽極為特色，在創紀錄的600次迴圈中保持了76%的容量，能量密度為350Wh/kg。作為參考，目前使用的同類最好的鋰離子電池的密度為250至300Wh/kg。
就像填補一個洞
早在3月份，我們就看到了另一個有趣的例子，即使用固體電解質而不是液體電解質的電池，該設計據稱克服了這一領域的一些關鍵障礙。這種電池的特點是由鈉鉀合金製成的“半固態”電極，研究人員將其比作牙醫用來填補齲齒的材料，因為它堅固，但能夠流動和成型。
上圖：金屬電極（有紋理的內圈）位於固體電解質的灰色圓盤上，表面開始形成枝晶。
當這種材料與固體電解質接觸時，它有適量的屈服，以防止在更堅硬和脆的電極材料上形成的型別的裂縫。這種自愈材料防止了破壞性枝晶的形成，並且允許比其他固態電池高得多的電流密度 （大約是固態電池的20倍），為更高的充電率鋪平了道路。
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