更好的电池充电

每个人都想要更多的电池果汁。智能手机和笔记本电脑总是需要充电。电动汽车司机必须仔细规划他们的路线，以避免远离充电站。任何用每晚缠绕充电器的人都会更喜欢能够持续数周或几个月的电池。

然而，对于专门从事电池的研究人员，为一个更好的电池的驱动器少了解了一个总是充电的iPad的奢侈品（虽然那将是很好的），但更多关于踢的化石燃料习惯。鉴于合适的电池，烟雾中的汽车和卡车可以用单独的电力运行耳语的车辆代替。没有汽油发动机，没有排放。甚至飞机也可以走电。并且电网可以使现代化使用更便宜，更环保的燃料如阳光或风，即使在太阳不够亮的日子，风也不会吹足够努力以满足电力需求。

更好的电池有可能颠簸人的未来，就像锂离子电池一样。当他们在20世纪90年代初开始流行时，锂离子电池提供了两倍的能量作为下一个最佳替代方案。他们改变了人们沟通的方式。

“伊利诺伊州伊利诺伊州伊利诺伊州阿尔诺纳国立实验室能源存储联合中心主任材料科学家乔治·克拉伯特“手机不仅使固定电话对许多人过时，而且[锂离子电池]将相机和互联网放在数百万的手中。”巨大的飞跃一夜之间没有发生。“这是许多渐进步骤的总和，以及数十年的工作，”Crabtree表示，他们在数十个美国实验室中协调电池研究。

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然而，锂离子电池具有它们的限制，特别是在电网和电动车辆中使用。幸运的是，就像他们的激励吉祥物一样，电池的研究人员从不休息。在过去的10年中，大学，科技公司和汽车制造商已经探索了数百种新电池技术，达成了难以捉摸的技术困难的目标：下一代电池持有更多能量，持续更长时间，更便宜，更安全，更容易充电。

十年的增量步骤开始偿还。2017年底，科学家们将介绍一部少量原型电池，由制造商开发，以实现潜在的商业化。有些含有新的成分 - 硫和镁 - 这有助于更有效地储存能量，为更长的时间提供电力。其他人将采用新的设计。

电池基础知识

电池有三个主要成分：两个电极（阳极或负电极，以及阴极，阳性）和电解质，有助于离子在电池内部移动。阳极释放电子处的化学反应，通过外部电路行进以供电灯泡或其他装置。

“这些原型是原则上的电池，微型工作版本，”Crabtree说。将电池放入消费者手中需要五到10年。他说，在电池技术中跳跃，令人惊讶的是难以理解。

权力斗争

电池像小化学厂一样运作。从技术上讲，电池是两个或更多个“电化学电池”的组合，其中化学反应释放的能量产生电子流。通过化学反应产生的能量越大，电子流量越大。这些电子提供了电池供电的电流 - 厨房时钟，烟雾报警器，汽车发动机。

为了为任何这样的装置供电，电子必须流过连接两个电极的电路，称为阳极和阴极，由称为电解质的物质分开。在阳极，化学氧化反应释放电子。在阴极处，在还原反应中溶解电子。电解质使通过氧化和还原反应产生的离子，以在两个电极之间来回通过，完成电路。

取决于用于电极和电解质的材料，可以通过向反向驱动化学反应的电流来补充电池。然而，在为可充电电化学汤创造新的食谱时，电池研究人员必须谨防可以破坏一切的副反应。

“您想要的化学反应 - 将Crabtree说，将能源和释放它释放的化学反应。”“但是有几十个......也发生了其他影响。”这些副反应可以禁用电池或更差，导致灾难性排放的风险。（考虑最近在三星的Galaxy注释7智能手机中的火灾。）

20世纪70年代的锂离子电池的早期版本携带由纯锂金属制成的阳极。通过重复使用，脱掉锂离子并将其覆盖到阳极上，产生达到阴极的指状延伸部，履行电池。今天的锂离子电池具有由石墨（一种碳形式）制成的阳极，使得松散的锂离子可以在碳原子片之间依偎。

锂离子电池最初是用小电子开发的;它们不设计用于储存电网或动力电动车辆的电力。电动汽车需要大量的力量，快速爆裂的能量从停止开始。电动汽车制造商现在捆绑了数千种这样的电池，以便在充电之前提供高达200英里的电力，但该范围仍然缺乏罐的天然气可以提供的东西。和锂离子电池的排水过快，以喂养长时间的栅格需求。

Crabtree说，只需将更多的电池涌入汽车或网格并不是答案。Stockpiling不会改善电池的充电时间或寿命。它也笨重。汽车制造商必须为他们的乘客留下司机房加上一些树干空间。为了使电动汽车与内燃机运行的车辆更好，制造商需要低成本，高能量的电池，持续长达15年。同样，电网电池需要储存能量以供以后以低成本使用，并且高达几十年的使用。

“没有一个电池可以满足所有需求，”MIT Materials Scient Chiang说。便携式设备所需的电池与运输或网格级存储所需的电池非常不同。期望看到各种新电池类型，每个新电池类型都设计用于特定应用。

电池：锂硫磺

这个怎么运作：来自阳极的锂离子与阴极中保持的硫反应以产生电流

它用于什么：汽车，手机，笔记本电脑

好处：硫磺廉价且非常轻盈，善于包装更多的容量进入更轻的包装

障碍：当前版本的寿命短，电解质需要工作 - 往往会溶解阴极并与阳极反应

切换到硫磺

对于电动汽车，锂 - 硫磺电池是下一个伟大的希望。阴极主要由硫磺，一种工业废物产品便宜，丰富，环保。阳极由锂金属制成。

在放电期间，锂离子脱离阳极并通过液体电解质游泳以到达硫阴极。在那里，离子形成与硫原子的共价键。每个硫原子键与两个锂离子，而不是一个，将电池阴极中的键数加倍。更多化学键意味着更储存的能量，因此锂 - 硫电池产生比锂离子更具果汁。即结合硫的重量，意味着原则上，制造商可以为给定的重量包装更多的冲压，每克储存四个或五倍的能量。

最终，升级可以将电动车辆的范围提升到一次充电的500英里。但首先，研究人员必须通过现有锂 - 硫磺电池的短暂寿命，这是由于每个充电 - 放电循环中的锂和硫的损失导致。

当锂与硫结合时，它也形成称为多硫化物的化合物，其迅速向上胶压电池的内部。当储存能量时，在电池放电期间在阴极内形成多硫化物。一旦它们溶解在电池的液体电解质中，多硫化物梭到阳极并与其反应，形成一部在几十个周期内呈现电池的薄膜 - 或者使用一到两个月。

在桑迪亚国家实验室在阿尔伯克基，由凯文扎维加尔领导的团队试图阻断电解质中多硫化物的形成。电解质由盐和溶剂组成，并且电流锂 - 硫电池需要大量电解质以实现中等的寿命。扎瓦多尔和他的团队正在开发“瘦”电解质混合物不太可能溶解产生多硫化物的硫磺分子。

9月9日在ACS能量字母中描述，新型电解质混合物含有高于常用的盐浓度和“备用”量的溶剂。研究人员还降低了电池中电解质的总量。Zavadil说，在试验运行中，调整通过几个数量级下降了多个数量级的浓度。

“我们[也有一些关于如何使用膜来保护锂表面以防止多硫化物首先发生的思考，”扎皮达尔说。目标是生产新电池的工作原型 - 一个可以持续数千个周期的一个 - 到2017年底。

在德克萨斯大学奥斯汀大学，材料工程师桂花宇以及中国杭州浙江工业大学同事，正在调查这种电池类型的另一种工作：用复杂的结构取代固体硫阴极，封装硫的复杂结构在一系列纳米管中。在11月发出的纳米字母中报道，将硫磺的纳米管由二氧化锰塑造，一种可以吸引和保持多硫化物的材料。纳米管涂有聚吡咯，导电聚合物有助于提高电子流动。

余说，这种方法减少了积累并提高了整体电导率和效率。到目前为止，随着集团的新架构，电池的电池每次充电和排放循环的容量占0.07％。500次循环后，电池维持其原始容量的65％，对当前锂 - 硫磺电池短寿命的巨大改进。仍然是在电动汽车中使用，科学家们希望能够持续数千个周期的电池，或者10到15年。

电池：镁离子

这个怎么运作：类似于锂离子电池，但镁离子进行工作

它用于什么：汽车，手机，笔记本电脑

好处：比锂更丰富的镁，提供两个电子（与锂锂的一），所以它可以提供两倍的果汁

障碍：化学尚未完全理解;电池有短的生命

Argonne的科学家正在构建另一个电池类型：其中一个替代阳极与镁的锂离子。这款开关可以立即提高相同体积释放的电能，表示镁离子的电荷为+2，锂+1的两倍。Ingram说，镁电流产生锂离子电流的电流的两倍可能允许更小，更能密集的电池。

然而，镁含有自己的挑战。虽然锂离子通过电池的电解质拉链，镁离子慢慢跋涉。Argonne，西北大学的研究人员团队和橡树岭国家实验室在各种电池的镁中拍摄了高能量的X射线，并了解到阻力是由于与镁在电解质内吸引的分子相互作用。Ingram和他的小组正在尝试新材料，以找到减少这种阻力的分子配方。

Ingram的团队试图将其“高度运作，持久”的原型到12月到3伏。今天的典型锂离子电池有3.8至4伏。Ingram说，在3伏特，镁电池将比4伏锂离子电池包装更多的功率，并“在该领域内造成巨大的兴奋”。

随着流程

一起运输和电网占美国能源使用的三分之二。但是，根据美国能源信息管理，今天只有10％的电网电力来自可再生来源。如果风和太阳能击中能源生产远离化石燃料，则储能中必须发生大的变化。

电池：流动电池

这个怎么运作：两个液体，一个正电荷和一个阴性，用膜分开。在他们见面的地方，离子反应，产生电子

它用于什么：汽车，网格，备用电源

好处：分离电池的两部分使得更容易设计最大功率或更轻的电池;一些新设计消除了泵，并使用重力调节能量流速

障碍：电流版本不能像锂离子那样能量。使用泵时，维护仍然存在问题

Crabtree说，需要什么，是一种可以存储能量和大量的电池，以供以后使用。“虽然阳光在下午中旬闪耀，但是当人们回家时，日落时，峰值需求将在灯光和烹饪晚宴时，”他说。

在夜间或阴天可靠地供电，无风天需要不同类型的电池。通过设计，流动电池适合账单。而不是拥有固体电极，流量电池在一个充满化学品的两个独立罐中储存能量 - 一个正电荷，另一个带负电。泵将液体从罐中移动到中心室，或“堆叠”，其中液体中的溶解分子经历储存和放弃能量的化学反应。位于堆叠中的膜保持分离的正极和负离子。

流动新倾斜

该流动电池的跷跷板运动意味着不需要昂贵的泵（示出的原型）。电机尖尖电池，使重力可以将储能材料转移到中间，其中化学能量被转换为电力。调整角度可以速度，慢或停止流动。

流量电池可以长时间存储能量并根据需要提供功率。由于能量储存液体保持在外部罐中，因此电池不太可能着火，并且可以根据需要建造大或小。要存储更多电源，请使用更大的坦克。

然而，到目前为止，流电池的制造和维护昂贵，并且用于在网格上提供备用电源的用途有限。今天的流量电池含有稀有和有毒的金属部件，通常是钒。随着许多移动部件 - 罐，泵，密封和传感器 - 崩溃和泄漏很常见。

在麻省理工学院，蒋介绍和同事正在开发能够绕过这些缺点的流动电池。一个是沙漏流电池，既不需要昂贵和麻烦的泵。发生化学反应的堆叠在收缩的中间，在任一端具有罐。重力允许液体流过堆叠，如沙漏中的沙子。电机调整电池的角度以速度或慢流动。

沙漏设计就像一个“概念汽车”，蒋说。虽然最终产品可能采用略微不同的形状，但该设计可以作为未来流动电池的模型。简单地改变设备的倾斜可以在峰值需求期间增加电网的短暂输注，或者在许多小时内缓慢释放能量，以使空调和加热器在太阳下降时运行。

在另一种设计中，本集团已用硫磺取代钒，这是便宜和丰富的硫磺。溶解在水中（也便宜且丰富），硫在电池堆叠中循环，产生储存或放弃能量的反应，类似于商用流动电池。本集团现在正在精炼电池，首先在2014年以纳米字母描述，旨在获得更高水平的能量。

开发流动电池中的另一个挑战是寻找能源材料限制在坦克的方法。这是电池膜的工作，但由于用于电池使用的有机分子几乎总是很小，它们太容易通过膜滑动，降低了电池的寿命和性能。

电池：硫磺硫磺

这个怎么运作：熔融钠芯通过固体电解质屏障与硫交换离子

它用于什么：大型储能（持有风或太阳能产生的电源）

好处：材料便宜且丰富;相当长的一生

障碍：必须在高温下运行，因此无法在汽车中使用

由伊利诺伊大学的化学家JoaquínRodríguez-López，而不是改变膜，而不是伊利诺伊大学的Urbana-Champaighed设计了通过改变其尺寸或配置来批量电池的活跃材料。科学家们将数百万活性分子连接在一起，形成大型环形结构，将长串分子钩在聚合物主链上，或含有高达10亿分子的聚合物的悬浮液，在2014年期刊中报告。

随着超大分子，甚至“简单，廉价的多孔膜在防止交叉方面有效，”Crabtree说。预计将在未来一年内完成提供低成本电力和持续20至30年的原型流动电池。

乘飞机

电池：锂空气

这个怎么运作：来自空气的氧分子与阳极中的锂离子反应以释放能量。再充电迫使氧原子，锂准备再次开始。

它用于什么：汽车

好处：可以制作一个非常轻的电池

障碍：寻找与其他组件没有反应的电解质是一个挑战;电池寿命非常短，可能需要额外的安全工程

在2017年以后看，科学家设想新一代电池，由低成本，甚至没有成本，材料制成。锂 - 空气电池仍在早期发展，使用大气中吸入的氧气来驱动产生电力的化学反应。在该方法中，氧与锂离子组合以形成固体化合物（过氧化锂）。在充电期间，固体氧气恢复回其气态形状。

“锂空气可能提供最高的能量密度，”麻省理工学院材料工程师Ju Li说。“你基本上将锂金属与空气中的氧气反应，原则上你可以获得与汽油一样多的能量。”

虽然锂空气有问题。电池很难充电，在此过程中失去了大部分力量。和电池为电池供电的化学反应产生热量，切割电池的储能容量和寿命。

使用电子显微镜研究锂空气原型的反应产物，李和他的团队提出了可能的解决方案：将氧气保持在电池内密封的固体形式以防止氧气形成气体。通过在微小的玻璃状颗粒中加上氧气和锂，科学家们创造了一个完全密封的电池。新战略，7月25日在线发布于自然能源，充电期间遏制能量损失，防止热堆积。

“如果它在大规模上工作，我们将有一辆电动车辆与汽油驱动的汽车竞争，”李说。达到这个目标将是一个迈向更环保的星球的一步。

这篇文章出现在2017年1月21日，为新闻界发出的科咨机带，“未来充电：研究人员寻找电池业务的方法。“

编辑注意：该故事于2017年1月25日修改，以澄清权力与能源之间的区别。