要点:
充电电池已是现代科技的基石，但随着设备功能日益强大，对续航与快充的需求让现有锂离子电池面临瓶颈，促使全球科学家积极开发新材料与创新设计，以求电池技术的突破性进展。
充电电池已经成了我们生活中不可或缺的一部分，它们为我们的手机、笔记型电脑、电动车，甚至是再生能源系统提供动力。多亏了充电电池的进步，才有了这么多新科技的发展，也彻底改变了我们的生活方式。从智慧型手机的普及到电动车的兴起，充电电池在推动这些改变上扮演了关键角色。
但随着科技发展越来越快，我们对电池的要求也越来越高。大家不只希望自己的电子产品电力更持久，还希望充电更快。虽然锂离子电池一直以来都是行动装置的首选，但它们也面临一些限制，像是充电速度慢、电池寿命不长，以及随着使用时间增加效能会下降。这些问题在电动车和高耗电的电子设备上尤其明显。
为了解决这些问题，全球的研究人员和科学家们正积极寻找新的电池材料、改进电池的化学成分，并探索创新的结构设计。这些努力预计在未来几年内，将彻底改变电池技术的面貌。
新兴材料：提高充电效率和循环寿命
为了满足人们对更快充电速度和更持久续航力的需求，科学家们正积极探索各种新材料，希望能大幅提升电池性能。其中，矽基阳极和固态电解质是目前备受瞩目的两大领域。
传统锂离子电池使用的是液体电解质，虽然有效，但却易燃、容易泄漏，甚至可能导致电池过热或燃烧。相比之下，固态电解质（通常由陶瓷或玻璃状材料制成）则是一种更安全的替代方案。它们具有更高的热稳定性和离子传导性，能让离子流动更快，并降低危险故障的风险。此外，固态电解质还能最大限度地减少充放电过程中的能量损失，提高电池的能源效率。
据微软和太平洋西北国家实验室/PNNL的一项合作研究，最近就利用人工智能AI和超级运算，发现了一种名为N2116的新型固态电解质。这种材料能将电池中的锂使用量减少高达70%，有效缓解人们对锂短缺和环境影响的担忧。
借助人工智能，研究人员在不到一周的时间内，就筛选了3200万种可能的无机材料，这要是用传统方法，可能需要数十年才能完成。更令人振奋的是，他们在不到九个月的时间里就开发出了一个可运作的电池原型。
太平洋西北国家实验室的科学家Vijay Murugesan博士指出，传统的计算方法难以预测材料的可合成性和新兴特性，导致材料开发过程需要大量耗时且昂贵的试验。为了解决这个问题，他们正在建立一个AI准备好的实验数据集，其中包含材料合成路径和即时材料行为的资讯。这种整合AI引导的实验方法，将使AI模型不仅能预测基本属性，还能预测在实际条件下具有所需性能的可制造材料，从而大幅缩短开发时间。
Murugesan博士进一步表示，未来的突破将是人工智能驱动的电池数位孪生，它能精确模拟不同运行条件下的长期性能和安全性。结合严格的实验验证，这种方法将加速材料开发，以满足快速充电的需求。透过自主科学方法，他们将能够检测早期性能特征并设计弹性结构，实现可靠的十年性能预测，而无需进行长达十年的测试。这将彻底改变新电池技术的大规模部署速度。
锂供应链对可充电电池至关重要，但它面临着不断增长的需求和潜在的短缺。此外，锂矿开采对环境有害，需要消耗大量水和能源。像使用N2116的固态电池，可以最大限度地减少锂的消耗，提供了一种更安全、更永续的替代方案，并且具有更高的能量密度和更长使用寿命的潜力。
固态电池的发展将对从消费性电子产品到电动车等广泛应用产生重大影响。透过固体电解质取代液体电解质，这些电池有望提供更高的能量密度、更快的充电时间和更长的循环寿命。
充电更快、寿命更长：电池结构创新与AI的未来
电池性能的提升不只依赖新材料的发现，结构创新在缩短充电时间和延长电池寿命方面也扮演着关键角色。人工智能AI透过预测材料特性、优化电池架构和设计客制化材料，减少了反覆试验，进一步加速了电池的发展。
传统的锂离子电池采用扁平层状电极，这限制了离子交换的表面积，进而减缓了充电速度。然而，3D电极设计利用多孔微结构材料，大幅扩大了离子交换的表面积。这种设计让离子能更快、更有效地移动，显著缩短充电时间，并提升电池的整体性能。
此外，另一个重要的创新领域是阴极的优化。阴极负责在电池循环过程中释放和储存能量，但传统阴极的性能会随着时间推移而下降，导致电池容量和寿命缩短。目前，研究人员正透过精细控制材料成分和结构，来提升阴极性能。
例如，由镍、钴和锰组合制成的层状阴极，旨在最大限度地提高能量容量并确保长期稳定性。这项创新不仅有望为电动车提供更持久的电池，也展示了结构设计在延长各种应用中电池寿命的潜力。
而奈米材料的进步也在电池开发中发挥关键作用，促成了新型电极涂层和隔膜的诞生。这些涂层有助于提高电池的效率和稳定性，并保护电极免于降解。
与此同时，奈米技术也被用于开发奈米改性电池隔膜，以增强热稳定性并防止短路。这些创新对于减少材料磨损和提高电池的整体耐用性至关重要，使电池能在更长时间内保持最佳性能。
以上结构上的创新，结合新材料的研发，正共同推动电池技术迈向一个更高效、更耐用、充电更快速的未来。
告别锂电焦虑：向下一代电池技术过渡
尽管锂离子电池长期以来在储能领域占据主导地位，但其固有的局限性正促使科学家们寻求更优异的替代方案。目前，固态电池和钠离子/Na-ion电池被视为最具潜力，有望解决这些挑战的下一代技术。
固态电池使用固体电解质取代传统锂离子电池中易燃的液体电解质，这不仅大幅提升了安全性，还能实现更高的能量密度和更快的充电速度，使其成为电动车的理想选择。
另一方面，钠离子电池虽然比锂离子电池略重，但由于钠元素储量丰富且成本较低，使其非常适合大规模储能应用。中国知名电池制造商宁德时代/CATL已经看到了这项潜力，并开始大规模生产钠离子电池。
普利兹克分子工程学院的刘氏家族分子工程教授指出，快速充电的关键创新在于液体电解质溶剂化结构的科学原理、离子在固体电解质界面/SEI和阴极电解质界面/CEI中的传输，以及电极工程的曲折度和孔隙度。
她进一步强调，电池的循环寿命没有热力学限制。她相信，如果能抑制电池中的所有寄生反应，电池的寿命就能达到数十年，这是可以实现的。对于钠离子电池或固态电池是否会成功，孟教授持谨慎乐观的态度，她认为我们需要一到两种可扩展的TWh/太瓦时电池化学技术，并且这两种技术都将非常成功，尽管普及的时间可能有所不同。
充电电池在塑造现代科技方面发挥了重要作用，从智慧型手机到电动车，无处不在。然而，随着人们对更快充电、更持久、更安全储能解决方案的需求日益增长，这也持续推动着电池科学的重大进步。
矽基阳极和固态电解质等材料的创新，以及3D电极和优化阴极等结构改进，正在彻底改变电池性能。包括固态电池和钠离子电池在内的新兴替代技术，在突破传统锂离子技术的限制方面前景看好。随着研究的不断加速，储能的未来将迎来变革性的突破，为更有效率、更可靠、更永续的电池技术铺平道路。
