全世界都在等待電池領域可以有所突破。幾乎電子行業的每一個部分都需要電池，都受到電池的功率輸出和能量壽命的限制。

“電池的發展或進步比其他領域慢得多，這是電池本身的局限性。”《電源雜志( Journal of Power Sources)》主編Stefano Passerini說， “你不能指望有能給手機供電一周或一個月的電池。說白了，存儲在電池中的最大能量是由固有的元素決定的。”

但這個領域還是有進步的。研究人員正在努力提高鋰離子電池的能量密度(電量體積容量比)、價值、安全性、環境影響以及試用壽命，并在設計全新類型的電池。

電池主要應用于三個行業：消費電子，汽車和電網存儲。

能源存儲研究聯合中心(Department of Energy’s Joint Center for Energy Storage Research)研究與開發副主任Venkat Srinivasan說：“我把以上的三個行業稱為人們與電池連接的三大領域。每個領域對電池都有不同的要求，因此所使用的電池也可能(有時)大不相同。在你口袋里的手機需要結實、安全的電池，重量和成本倒不用太考慮。而對于汽車電池行業而言，需要的電池很多，因此成本和重量以及循環使用壽命(如果新特斯拉每兩年需要更換一次新電池，你會瘋的)就變得十分重要。用于存儲房屋和電網的電力的電池對重量或尺寸要求則不高。

幾十年來，消費電子產品——手機、電腦、相機、平板電腦、無人機甚至是手表 ——都使用了鋰離子電池，這是由于鋰電池具有易于充電和高能量密度的特點。在這些電池中，填充有鋰離子的石墨晶格形成陽極。氧化物形成陰極，連接到相對的端口，且兩者由允許離子通過的液體電解質分離開來。當外部端口連接時，鋰氧化及鋰離子流向陰極。而充電時則情況正好相反。可以以這種方式轉移的鋰離子越多，電池的功率就越大。撇開其電池壽命和安全性，鋰電池的尺寸和易用性亦深受人們喜歡。但Passernini表示鋰電池進一步優化的空間有限。

“現在鋰電池已經接近極限，”他說，“雖然我們在10年前已經說過同樣的話，而過去10年的改進也不小。”

在汽車行業中，電池最終決定了汽車的壽命，也決定了人們對于電動汽車的恐懼和焦慮。為了解決這個問題，工程師和科學家正在嘗試將更多的電壓容量填充到電池中。但電壓容量的減少通常與電池內部的化學反應有關，隨著時間的推移發生的化學反應逐漸增多，因而容量也將逐漸減少。大量的研究致力于尋找新的材料和化學品以輔助或替換鋰離子晶格或電池的其它部分。

Srinivasan指出了一些潛在的創新，這些創新不僅可以用在汽車上：傳統的石墨陽極晶格可以替換為硅，它擁有10倍多的鋰離子。但硅在吸收鋰離子時會膨脹，所以研究者們需要解決這個問題。亦或者鋰金屬可以代替晶格充當陽極——但是我們不知道如何防止它在充電時發生短路。 自鋰電池在幾十年前問世以來，電池制造商一直在努力解決這個問題。“我們非常有希望，如今我們也許可以解決這個有著30年歷史的老大難問題”Srinivasan說。

也許鋰可以完全被替換。研究人員正在尋找使用鈉或鎂來代替，能量存儲研究聯合中心正在使用計算機建模，來研究將特定的氧化物材料作為鎂陽極相對應的陰極。鎂是非常有優點的，因為其結構允許每個原子接受兩個電子，這使得鎂可以儲存的電荷加倍。

Prashant Jain和他在伊利諾伊大學的合作者正在研究鋰電池的另外一個組成部分：電解質。電解質是填充陽離子(帶正電的離子)和陰離子(帶負電的離子)之間的空間并允許帶電粒子流過的流體。很久以前我們就知道，某些固體材料，如硒化銅，也允許離子流動，但不能足夠快地運行大功率設備。化學助理教授Jain和他的學生開發了一種由硒化銅納米顆粒制成的具有不同性質的超離子固體。它允許帶電粒子以與在液體電解質中相當的速率流動。

這種技術的潛在好處有兩個方面：安全和生命周期。 如果當前的鋰離子電池損壞，電池短路并發熱，隨后液體蒸發，沒有任何東西阻止能量的快速釋放。固體將防止短路并可以使用全金屬陽極，從而提供更大的能量容量。另外，在重復的循環中，液體電解質會溶解陰極和陽極，這是電池最終不能充電的主要原因。

“所有這些漸進的改進實際上已經取得了一些進展。但是一直以來都沒有一個震驚四座的突破性發展，固體電解質的傳輸能力不比液體差，”Jain說，“但是這會帶來安全問題，也許在使用固體電解質這一塊，我們還需要大開腦洞，一擊即中，做出可以完全替代液體電解質的東西。”

最初一代鋰電池的共同發明人之一的德克薩斯大學工程榮譽教授約翰·古德諾夫(John Goodenough)正在對固態電解質采取另一個方向的研究，他公布并提交了一種具有玻璃基電解質的電池專利申請。通過用鋰或鈉浸漬玻璃，Goodenough已經能夠使電流更快地流動，同時還可以利用固體陽極來防止短路和增加能量容量。

所有這些研究都將對我們口袋和汽車里的電池有影響。但該電池還有第三種用法，而且其影響是全球性的。

Melanie Sanford在不同類型的電池(巨大的氧化還原液流電池)上使用建模工具，這些電池可以存儲可再生能源發電廠的電力，并在風能和太陽能發電不可使用時釋放能量。晚上能源生產和消費的高低將幫助可再生能源擴大規模，其不僅僅充當備用電力這樣的角色。

南加利福尼亞州的愛迪生已經在使用特斯拉汽車電池試驗電池庫，但因為電池是傳統的基于鋰離子的電池，成本太高無法在全球可再生能源層面大規模推廣。此外，電網電池的限制與汽車有很大的不同，重量和尺寸不是問題，但價格和生命周期卻是需要考慮的問題。

在氧化還原液流電池中，能量儲存材料以液體形式保持在大容器中，然后泵送到較小的電池，并與具有相反電荷的類似物發生反應。計算機建模已經允許Sanford的實驗室定制設計有機分子，使其容納量提高了上千倍——這些分子保持穩定的時間從少于一天到幾個月。

“電網規模的電源需要的是超便宜的材料，因為我們這里所說的電池是非常大的，”Sanford說， “我們現在所說的是風力發電場以及相應規模的儲存電池的倉庫。”

據Sanford介紹，創新方向主要是通過材料科學開發可用于電池的新材料，另一方面的創新需要工程師建設使這些材料更高效的系統。兩者都是不可或缺的，但從研究到生產的過程必然會是另一個瓶頸。

“每個人都應該意識到，沒有一種電池可以適用于所有的場景，”Passerini說， “很明顯，即使只是提高10%或者20%的性能就已經非常了不起了。我們必須在這個領域里繼續研究，科學家們需要大家的支持。”