随着锂离子电池作为现代世界的引擎，从手机和笔记本电脑到电动汽车和飞机，每一项提高其性能的科学突破都是重要的。

例如，其中一些来自对替代材料进行试验的渐进式进步，而另一些则来自重新想象整个设备及其从头开始的工作方式。

2021 年产生了大量的发现，这些发现源于研究人员以这种方式跳出框框思考。让我们来看看最具创意和有趣的例子。

1、多孔结构开启更快的充电

科学家们取得了一项突破，可能导致电池在很短的时间内充电，科学家希望提高电池充电率的方法之一，是在阳极（其两个电极之一）上使用多孔结构。

这为传输锂离子的液体电解质提供了更大的接触面积，并使它们更容易通过材料扩散，从而可能使电池充电速度更快。

2、铌酸镍比锂离子电池充电快 10 倍

2021年11 月，我们研究了这项技术的一项有前景的新尝试，特温特大学的科学家们用一种叫做铌酸镍的材料制作了一个阳极。它具有“开放和规则”的晶体结构，具有相同的重复通道，使其成为离子传输的理想选择。

这被制成一个完整的电池，科学家们发现它提供了超快的充电速率，比今天的锂离子电池快 10 倍。这是迄今为止在该领域提出的多孔材料的显着改进，该材料具有杂乱无章的随机通道，导致结构在充电过程中塌陷和电池失效。

研究人员指出，作为甜味剂，铌酸镍的体积密度高于当今阳极所用的石墨，这也可能导致商业电池更轻、更紧凑。

3、让锂从死里复活

重新激活“死”锂岛可以提高电动汽车的续航里程，并为电子设备提供更长的电池寿命。

当电池循环时，锂离子会在两个电极之间来回移动，但并非所有电极都能一直完成旅程。这会导致在与电极断开连接的锂的电化学惰性“岛”之间形成，这些团块导致设备的存储容量下降，甚至导致设备着火。

斯坦福大学的科学家们想出了一种方法，不仅可以中和这些具有破坏性的死锂团块，还可以使它们恢复活力以提高电池的性能。

研究小组发现，通过在充电过程中增加高电流电压会刺激这种不活跃的锂发挥作用，使其“像蠕虫一样”蠕动并重新与电极连接，从而将电池的寿命延长 30%。

据该团队称，这一突破可能会改进快速充电电池或具有更大容量和寿命的可充电电池的设计。有趣的是，他们指出，对于下一代锂金属电池来说，死锂岛问题是一个真正的问题，它有可能容纳多达 10 倍的能量，因此这一突破可能会带来新的解决方案，以解锁这种极具前景的架构.

4、BLT 风格的电池

科学家们认为锂金属电池具有如此大的潜力的原因之一，是因为锂金属的容量和能量密度远高于当今电池阳极所用的石墨和铜。这将其定位为哈佛材料科学家李欣眼中的“圣杯”，他在 5 月份推出了一种新型三明治式电池，可以克服迄今为止困扰锂金属设计的一些稳定性问题。

这些稳定性问题源于充电期间在锂金属阳极上形成的称为枝晶的针状突起，导致电池性能下降，从而导致电池失效甚至着火。

科学家李欣和他的同事试图通过将电池的液体电解质，替换为一对固体电解质来克服这一问题，这些固体电解质以 BLT 式三明治的形式层叠在一起，并在枝晶形成时进行安全控制和控制。

此外，三明治式电池能够回填由树突产生的间隙。在测试中，该团队发现它在 10,000 次循环后保留了 82% 的容量，最有希望的是，它展示了一种电流密度，有朝一日可以让电动汽车在 20 分钟内充电。

5、纤维素纳米纤维作为新电池电解质

锂金属电池的稳定性十分重要，美国的一组科学家从大自然中寻求灵感。这一突破再次取决于使用固体电解质而不是液体电解质来携带电荷的概念，科学家们使用源自木材的纤维素纳米纤丝作为他们的起点。

这些微小的聚合物管与铜结合形成固体离子导体，聚合物链之间具有微小的开口，充当“离子高速公路”，使锂离子能够以创纪录的效率传播。这意味着该材料的电导率是其他​​聚合物离子导体的 10 到 100 倍。

研究人员还表示，由于这种材料薄如纸且柔韧，电解液可以更好地承受电池循环的压力并承受锂金属结构的环境。

6、氯基原型电池容量是锂离子设备的六倍

科学家开发出一种氯基原型电池，其容量是当今锂离子设备的六倍。碱金属氯电池自 1970 年代就出现并提供高能量密度，但高活性氯意味着它们只能持续使用一次。

2021 年 8 月，斯坦福大学的科学家想出了一种方法来稳定这些反应，实际上可以让这些类型的高密度电池充电。

该解决方案由一种由多孔碳制成的新型电极材料组成，该材料吸收了不稳定的氯分子，并将其安全地转化为氯化钠，即放电前的原始形式。这种循环能够在实验电池中重复多达 200 次，该电池的密度约为当今锂离子技术的六倍。

7、新型锂金属电池，可在 600 次循环后保持其功能

美国科学家开发出一种新型锂金属电池，可在 600 次循环后保持其功能。锂金属电池是该领域科学家的一个重点，早在 6 月，我们就看到研究人员将它们带入了破纪录的领域。

该团队专注于所谓的固体电解质中间相 (SEI)，它是阳极顶部的薄膜，通过控制循环过程中哪些分子从电解质进入，起到重要的守门作用。

阳极周围发生复杂的反应并影响当前设计中 SEI 的性能，但美国能源部太平洋西北国家实验室 (PNNL) 的科学家们发现了一种新的解决方案，即宽度约为 20微米，远比人的头发还要细。

这些被用作具有 SEI 的阳极的基础，该阳极与电解质的相互作用比具有抑制重要电化学反应的较厚条带的阳极更健康。

该团队的原型软包电池采用这种阳极，在创纪录的 600 次循环中保留了其容量的 76%，能量密度为 350 Wh/kg。作为参考，当今使用的一流锂离子电池的密度为 250 至 300 Wh/kg。