电池创新：通过自修复材料延长使用寿命和容量
应对气候变化的最大挑战之一是能源储存。化石燃料本质上是自我储存的，其能量被锁在自己的化学键中。但如何储存更可持续但更短暂的能源形式，如风能和太阳能呢？对于材料科学与工程 (MSE) 副教授 Eric Detsi 来说，答案是电池，但需要注意的是，足够强大的电池可以满足未来的能源需求（国际能源署预测，到 2030 年全球电池容量将需要增加六倍）但目前还不存在。
在当今使用的大多数电池中，从闹钟等家用电器中的一次性碱性电池到混合动力汽车和电动汽车中的可充电锂离子电池，离子在其间流动的电极通常由金属氧化物或石墨等固体材料制成。但是，正如 Detsi 指出的那样，电池的每次充电和放电循环都会损坏材料，因为电极会膨胀和收缩，有时膨胀程度高达 300%，这也是即使是可充电电池也会逐渐失去容量并最终失效的原因之一。
“需要能够储存大量锂、钠和镁的材料，以用于高性能电池，”Detsi 说。“问题是，电池材料储存的锂、钠或镁越多，它在充电和放电过程中的膨胀和收缩就越大，导致体积发生巨大变化。”
一些研究人员，包括 2019 年诺贝尔奖获得者、锂离子电池之父之一约翰·古迪纳夫 (John Goodenough)，最近开始开发采用液体电极的电池，这种电池在体积变化时不会破裂。但液体电极也带来了其他挑战，即难以安全制造和使用像水气球一样的电池。换句话说，仅仅制造更大或液体的电池是行不通的——要设计未来的电池，研究人员需要创造全新的材料。
此外，随着电池需求的增加，许多通常用于大规模生产的可充电电池的元素（如锂和钴）正变得越来越昂贵，更不用说卷入侵犯人权的事件。（去年，诺丁汉大学教授 Siddarth Kara 出版了《钴红：刚果的血液如何为我们的生活提供动力》，揭露了刚果民主共和国恶劣的劳工行为，而世界上四分之三的钴都产自该国。）
Detsi 说：“电网规模存储和电动汽车等新兴能源存储应用对高性能电池的需求促使我开始研究电池材料。”
为此，他的团队一直在研究主要由钠和镁制成的电池，这种电池更便宜，道德风险也更低，因为地壳中钠和镁的储量丰富。更重要的是，美国的钠和镁资源丰富。例如，根据美国地质调查局 (USGS) 的数据，世界上 68.8% 的碳酸钠 (苏打灰) 储量和 14.5% 的氯化钠 (盐) 储量都在美国，而这些是制造钠所需的。
自修复过程发生前 (a) 和发生后 (b) 的新电池的微观视图。图片来源：Eric Detsi
Detsi 的团队正在使用这些金属来开发在液态和固态之间转换的电极，以避免在充电周期中损坏，同时仍然易于制造。
Detsi 表示：“当材料处于固相时，由于电荷存储期间发生的巨大体积变化，材料会开始降解。然而，当材料从固体转变为液体时，它会通过从体积变化引起的降解中恢复而‘自我修复’。”
首先，Detsi 使用阳极（充电过程中收集离子的电极）证明了这种方法的可行性，阳极由五镓二镁（Mg2Ga5）制成，五镓二镁是镁和镓的混合物，后者的熔点低，因此这种合金很容易从固态转变为液态。
2019 年，Detsi 实验室与 MSE、机械工程与应用力学（MEAM）和生物工程（BE）领域的 Eduardo D. Glandt 校长杰出教授 Vivek Shenoy 的实验室合作，证明了由 Mg 2 Ga 5制成的自修复阳极 可以承受超过 1,000 次充电循环。
Detsi 表示：“在我们开展这项研究之前，最先进的镁离子电池阳极的循环寿命仅为 200 次。”换句话说，增加自修复阳极后，镁离子电池的初始寿命增加了五倍。
今年早些时候，Detsi 的实验室进一步突破了极限，使用在室温下熔化的镓铟阳极，有可能为商业应用打开大门。实验阳极在 2,000 次充电循环中幸存下来，同时保留了 91% 的电池容量。“这是前所未有的，”Detsi 说。作为对比，iPhone 15 可以维持 1,000 次充电循环，同时保留 80% 的电池容量。
为了推进该项目，Detsi 和他的合著者——刚毕业的博士生 Lin Wang 和 Alexander Ng，以及博士后研究员 Roxana Family——采用了各种先进的成像技术来更好地了解材料从固体到液体的转变，包括 X 射线衍射、X 射线散射、X 射线光谱和低温扫描电子显微镜。正如 Detsi 和他的团队在 2023年发表在ACS Energy Letters上的一篇论文中所描述的那样，后一种技术涉及在不同阶段冻结液态金属阳极，以更好地研究自愈过程。
近十年前，当 Detsi 和他的团队开始探索自修复钠离子和镁离子电池的概念时，几乎没有人认真对待他的想法。
“我记得有位审阅我们关于钠离子电池的提案的人问，既然钠离子电池如此优秀，为什么它没有商业化，”Detsi 说。“当时，只有一家初创公司在开发钠离子电池。现在全球有很多这样的公司。”
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