去年4月，Lisa Smith看了一下發表在“Advanced”雜誌家族上的最新的鋰電池研究成果。一年多之後，目前科研人員對電池技術的研究似乎將繼續擴大，人們也在積極尋找鋰系統的許多潛在替代品。現在似乎是分享這些新系統最新工作近況的好時機。但首先，我們需要快速瞭解一下這一大規模國際努力背後的動機：
全球能源需求正在迅速增長。每當你拿出你的智能手機時，不管是為了莊稼的種植而檢查天氣情況，還是獲得公交時刻表的最新消息，或者只是為了找出關於某個名人的娛樂新聞，你就是在為這個能源的使用做出貢獻。人們普遍認為，可持續性是非常重要的，但對某些原材料的需求正在變得具有不可持續性，特別是政策的變化和我們使用技術的方式推動了從化石燃料向更清潔的電化學系統的轉變。目前的商業電池技術不具備或無法滿足人們所期望的能量密度（即每克材料所能產生的能量）。
為了解決可持續能源生成和儲存的關鍵問題，研究人員正在探索用新材料作為電池的電極和電解質，並創造諸如可穿戴或可摺疊設備的靈活性或透明性等新功能。
對更高能量和功率密度的需求促進了人們對
固體電解質的研究，這可能有助於人們獲得更多超出標準的高容量鋰技術。目前科研人員正在研究三種類型的固體電解質：聚合物，硫化物和氧化物。聚合物是最容易使用的，但與硫化物和氧化物相比，其機械強度和離子電導率較低。需要將固體電解質加工成非常薄的薄膜以使充電/放電期間的電流最大化，但是事實證明，在製造期間實現精確控制是很棘手的一個問題。 圖片顯示為薄固體電解質，該固體電解質僅為0.4μm厚，由納米板的熔融膜形成
在美國幾家不同機構工作的團隊開發出了β-Li3PS4固體電解質膜，其厚度僅為0.4μm。這些膜與金屬鋰陽極電化學相容，並且不需要硫化物基固體電解質的典型高加工溫度。他們的三步法在“Advanced Energy Materials”的封面上刊登了出來，涉及在鎳基底上蒸發誘導的Li3PS4·2ACN（乙腈）納米片的面對面堆疊組裝，產生均勻的薄膜。加熱至180°C以上可除去ACN，提供良好的離子導電性，並將薄膜轉化為β-Li3PS4；施加200MPa然後使薄膜熔化，增加它們的密度。發現前體的濃度決定了膜的厚度，為更好地控制固體硫化物電解質膜的形成提供了一條簡單、可處理的途徑。
相反，解決鋰枝晶形成的問題（清華大學張強提出了這個問題的解決方案），來自中國的一個團體設計了他們所謂的“拉鍊式”SEI薄膜。而不是抑制SEI層中的應力引起的缺陷，正如大多數當前的方法所做的那樣，這些薄膜能夠使用自修復機制自動修復裂縫。在“Advanced Energy Materials”雜誌中，研究團隊解釋了他們是如何用有序的凹坑圖案化陽極表面的，從而形成網狀SEI薄膜，減少極化。這使得鋰離子通量更加均勻，並且提高了電鍍/剝離循環期間的性能。
鈣的天然豐富度吸引了另一群中國人研究可充電的鈣離子電池系統。在正在研究的多價陽離子中，鈣的還原電位最接近鋰，它顯示出更高的安全性和較快的電化學動力學；然而，由於鈣從標準有機電解質緩慢擴散到活性材料中，鈣系統的穩定性非常差（循環穩定性少於50次循環）以及工作電壓很低。
鈣離子是鋰離子的一個有趣的替代物，而且這個系統是迄今為止最穩定的
科研人員使用膨脹石墨電極：一種允許嵌入Ca2 的材料，而不僅僅是從金屬鈣電極上電鍍和剝離的材料，他們開發了一種具有碳酸鹽電解質和Ca（PF6）2的系統。他們在“Advanced Science”中的論文中講述了他們如何以2C的電流速率實現了66 mAh g-1的特定容量，具有4.6 V的高工作電壓。關鍵的是，他們的鈣離子電池的放電容量在300次循環後仍保持了62mAh g-1（此時電量保留率為94％），這是迄今為止鈣系統所表現出的最穩定的性能。
德國和瑞士的一個合作小組也對石墨作為插層電極的使用進行了研究。他們探討了它在鈉離子電池系統中的應用機制，特別是它在循環過程中如何保持這種良好的穩定性，儘管電極材料在循環過程中會發生類似於“呼吸”的行為，儘管它顯然沒有形成任何SEI層，通常人們認為有必要防止連續分解，但本研究中證實這種情況不存在。他們在“Advanced Energy Materials”論文中闡明，即使電極體積膨脹和收縮約為70-100％，它仍然保持穩定，因為石墨顆粒從表面剝落形成結晶小板，但不會分層，這就避免了人們通常觀察到的如此大體積變化時的降解。
石墨嵌入電極允許鈉絡合物（a）嵌入層（b）之間，並且即使沒有任何SEI形成，系統也是十分穩定的
一如既往的，我們在商業化這些技術之前還有一段很長的路要走，但我期待看到清潔能源產生和存儲的逐步改進。擁有更強大，更持久的電池將意味著後代能夠以可持續的方式使用功能日益強大的便攜式電子系統。那麼那些額外的功能呢？例如可以摺疊後放進錢包裡的智能手機？其實這並不像你想象的那麼遙遠，不久的將來一定會實現的。
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