研究人员提高了电力存储能力

多年来，电池的能源效率越来越高，但研究人员仍在寻找改进原始设计的方法。电池仍然是许多日常设备的电源，无论是可充电的还是植入机器的。尤其是电动汽车和机器人，它们都是依赖电池运作的新兴技术。改进电池设计以延长电池寿命仍然是首要任务，几所大学正在带头改进这项技术，而这项技术的核心并没有太大变化(有关他们研究的更多信息，请参阅突出的链接)。

固态电池的改进

康奈尔大学的研究人员改进了固态电池的设计，从液体电解质开始，然后在电化学电池内将其转化为固体聚合物。研究人员利用液体和固体特性来克服当前电池设计中的关键限制。这项研究与寻找可充电电池技术的行业相吻合，该技术可以安全地为电动汽车、自动驾驶汽车和机器人等下一代技术提供动力。

康奈尔大学博士后研究员Qing Zhao在一次新闻发布会上说:“想象一下一个装满冰块的玻璃杯:一些冰块会接触玻璃杯，但会有缝隙。但如果你把杯子装满水并冷冻，界面就会被完全覆盖，你就会在杯子的固体表面和液体之间建立起牢固的联系。”她补充说:“在电池中，同样的一般概念有助于离子通过电池电极的固体表面传输到电解质，而不需要可燃液体来操作。”

该过程引入了能够在电化学电池内部引发聚合的特殊分子，而不会影响电池的其他功能。如果电解质是环醚，则可以设计引发剂来撕裂环，从而产生反应性单体链，这些单体链结合在一起，形成长链状分子，其化学性质与醚基本相同。这种固态聚合物保持了金属界面的紧密连接，就像杯子里的冰一样。

固态电解质除了提高电池的安全性外，还有利于使用金属(包括锂和铝)作为阳极的下一代电池，从而实现比当今最先进的电池技术更多的能量存储。在这种情况下，固态电解质可以防止金属形成枝晶，这种现象会使电池短路并导致过热和故障。
固态电池尽管具有潜在的优势，但尚未大规模生产。原因包括制造成本高和以前设计的界面性能差。固态系统还通过提供热变化的稳定性来避免对电池冷却的需要。

资深作者林登·阿彻也在康奈尔大学的新闻发布会上说:“我们的发现为制造实用的固态电池开辟了一条全新的途径，这种电池可以用于一系列的应用。”

根据Archer的说法，制造固体聚合物电解质的策略令人兴奋，因为它有望延长高能量密度可充电金属电池的循环寿命和充电能力。

锂电池中的混合阴极

麻省理工学院和中国的研究人员已经开发出锂电池关键组件的新版本:阴极。这一进展是开发更小、更轻、使用时间更长的电池的广泛研究的一部分。

研究小组将他们的概念描述为“混合”阴极，因为它结合了两种先前的方法，一种是增加每磅能量输出(重力能量密度)，另一种是增加每升能量(体积能量密度)。他们说，这种协同作用的结合产生了一种既能提供两者的好处，又能提供更多好处的版本。

今天的锂离子电池倾向于使用由过渡金属氧化物制成的阴极(电池中两个电极中的一个)，但由硫制成的阴极电池被认为是减轻重量的一种有前途的选择。如今，锂硫电池的设计者面临着一个权衡。

这种电池的阴极通常有两种制造方法，称为插入式或转换式。插层类型使用钴酸锂等化合物，提供了高体积能量密度，因为它们的密度高，每体积的冲孔量很大。这些阴极可以在将锂原子纳入其晶体结构的同时保持其结构和尺寸。

另一种阴极方法，称为转化型，使用硫进行结构转化，甚至暂时溶解在电解质中。

麻省理工学院核科学与工程、材料科学与工程教授李菊说:“它们的重力能量密度非常好，但体积密度很低。”这部分是因为它们往往需要大量的额外材料，包括过量的电解质和碳，用于提供导电性。

在混合系统中，研究人员成功地将这两种方法结合成一种新的阴极，该阴极结合了一种称为Chevrel相的硫化钼和纯硫，两者结合在一起似乎提供了两者的最佳方面。他们使用这两种材料的颗粒并将其压缩制成固体阴极。

李说:“这就像炸药中的底火和TNT，一个是速效的，一个是单位重量能量更高的。”

李说，除其他优点外，复合材料的导电性相对较高，从而减少了对碳的需求并降低了整体体积。他说，典型的硫阴极由20%到30%的碳组成，但新版本只需要10%的碳。

使用这种新材料的净效果是可观的。今天的商用锂离子电池的能量密度可以达到每公斤250瓦时和每升700瓦时，而锂硫电池的能量密度最高可达每公斤400瓦时，但每升只有400瓦时。李说，新的初始版本尚未经过优化过程，已经可以达到每公斤360瓦时以上，每升581瓦时以上。在能量密度上，它可以击败锂离子电池和锂硫电池。

李说，随着进一步的工作，“我们认为我们可以达到每公斤400瓦时和每升700瓦时”，后者的数字与锂离子电池的数字相当。该团队已经比许多旨在开发大规模电池原型的实验室实验更进了一步:他们不再测试容量只有几毫安小时的小型硬币电池，而是生产了容量超过1000毫安小时的三层袋状电池(电动汽车等产品电池的标准亚单元)。这与一些商用电池相当，表明新设备确实符合其预测的特性。

到目前为止，这种新电池在充放电循环次数上还不能完全达到锂离子电池的寿命，否则就会失去太多的电力而无法使用。在这种情况下，李表示，限制是基于电池的设计，而不是阴极，“我们正在努力。”即使在目前的早期形式中，“这可能对一些利基应用有用，比如远程无人机”，在这些应用中，重量和体积比寿命更重要。

用人工智能和机器学习预测电池寿命

如果手机电池制造商能够分辨出哪些电池至少可以使用两年，那么他们就可以只把这些电池卖给手机制造商，而把其余的卖给要求不那么高的设备制造商。新的研究显示了制造商是如何做到这一点的。这项技术可以用来对制造出来的电池进行分类，并帮助新的电池设计更快地进入市场。

科学家们将综合实验数据和人工智能相结合，揭示了在锂离子电池容量开始衰退之前准确预测其使用寿命的关键斯坦福大学,麻省理工学院(MIT)和丰田研究所发现。
在研究人员用数亿个电池充电和放电的数据点训练他们的机器学习模型后，该算法根据早期周期中的电压下降和其他一些因素预测每个电池可以持续多少个周期。

预测结果与电池实际持续的周期数相差不到9%。另外，该算法根据前五次充放电循环将电池分为长寿命和短寿命。在这里，预测的正确率为95%。

这种机器学习方法可以加速新电池设计的研究和开发，减少生产时间和成本，以及其他应用。

“测试新电池设计的标准方法是充电和放电，直到电池失效。由于电池的使用寿命很长，这个过程可能需要几个月甚至几年的时间，”斯坦福大学材料科学与工程博士候选人彼得·阿提亚说。“这是电池研究中昂贵的瓶颈。”

阿提亚说，这种方法有许多潜在的应用。例如，它可以缩短验证新型电池的时间，考虑到材料的快速发展，这一点尤为重要。有了这种分类技术，为电动汽车设计但寿命较短的电池可以用来为路灯或备用数据中心供电。回收商可以从二手电动汽车电池组中找到容量足够二次使用的电池。

另一种可能性是优化电池制造。“制造电池的最后一步被称为‘成型’，这可能需要几天到几周的时间，”Attia说。“使用我们的方法可以大大缩短这一过程，并降低生产成本。”

研究人员现在正在使用他们的模型来优化在10分钟内给电池充电的方法，他们说这将把这个过程减少10倍以上。

可充电锂电池

宾夕法尼亚州立大学的研究人员正在开发可充电锂金属电池，通过使用固体电解质间相(SEI)来提高能量密度、性能和安全性。随着对高密度锂金属电池需求的增加，SEI的稳定性已经成为一个关键问题。研究人员说，由于电池锂电极表面的盐层使其绝缘并传导锂离子，进展已经停止。

机械与化学工程教授王东海表示:“这一层非常重要，是由电池中的锂和电解质之间的反应自然形成的。”“但它的性能不是很好，这导致了很多问题。”

锂金属电池中最不为人所知的组成部分之一是SEI的退化，它会导致枝晶的形成，从而对电池的性能和安全性产生负面影响。

王说:“这就是为什么锂金属电池不能持续更长时间，界面会变大，而且不稳定。”“在这个项目中，我们使用聚合物复合材料来制造更好的SEI。”

在化学博士生高跃的带领下，增强型SEI是一种反应性聚合物复合材料，由聚合物锂盐、氟化锂纳米颗粒和氧化石墨烯片组成。

利用化学和工程设计，各领域之间的合作使该技术能够在原子尺度上控制锂表面。反应性聚合物还降低了重量和制造成本，进一步增强了锂金属电池的未来。

王说:“有了更稳定的SEI，就有可能使现有电池的能量密度增加一倍，同时使它们使用寿命更长，更安全。”

克里斯Vavra制作编辑;控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com．

更多的答案

关键词:电池研究，能量密度，能源效率

大学正在开发使电池更节能、更安全的方法。

发展包括推进固态电池的设计，开发锂电池的混合正极。

研究人员也在希望利用人工智能(AI)预测电池寿命。

考虑一下这个

会是什么?电池和能源研究的下一个突破将对制造业产生什么影响?

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?您应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得您和您的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。