为何锂离子电池在科技世界仍占据主导地位？ 锂离子电池为世界提供了动力。您很可能此刻身边就至少有一块这样的电池——或许还有两块或三块。锂离子电池为超过 70%的可充电设备提供动力，其应用范围从电动汽车到智能手机，再到大规模储能等。尽管这项技术在我们的日常生活中已变得几乎无处不在，但我们对于驱动锂离子电池的物理和化学过程仍有许多不了解的地方。 迄今为止，锂离子电池的设计诸多方面都是通过反复试验得出的。研究人员不断调整电极和电解质，并留意哪些配置能提高能量、功率、充电速度和电池寿命，然后利用这些发现来指导设计过程，但并未完全理解其中的科学原理。 虽然我们大致了解锂离子电池充电时会发生什么情况，但关于这一过程中的许多细节仍不清楚。反应本身相对简单，它可以发生在液体溶液中或固体电极上。无论哪种情况，当电池放电时，锂离子以电解质的形式开始存在，然后“嵌入”（即插入）到溶液或电极中（视具体情况而定），而此时电池正在充电。充电时，这些离子会“脱嵌”并返回到电解质中。这一过程在电池的整个使用寿命期间会重复数千次。 麻省理工学院新闻网站在本月早些时候发表的一篇文章中指出：“电池所能产生的电量以及充电速度，取决于这一反应发生的快慢。” “然而，关于这一反应的确切机制，或者控制其速率的因素，目前还知之甚少。” 但麻省理工学院的一项新研究正试图改变这一现状，它通过观察不同电池类型中的嵌入速率，并详细记录促进这些反应的具体条件。科学家们发现，锂离子电池的充电过程受另一个过程的控制——耦合的离子-电子转移。这意味着电子会与锂离子一同进入电极。这一发现有望帮助科学家设计出性能更佳、充电速度更快的电池模型。 雪佛龙化学工程学教授、麻省理工学院数学教授马丁·巴赞特在接受麻省理工新闻采访时说：“这项研究让我们能够实现更快、更可控的反应，从而加快充电和放电速度。”结合有关锂离子电池功率和寿命的其他研究，这些发现可能会促使电池设计变得更加复杂精妙。 这一突破有可能确保锂离子电池在科技行业中保持其主导地位，而与此同时，其他技术也在迅速取得进展。尽管锂离子电池非常有用，但它们也伴随着一系列负面的外部影响。锂的提取和生产对环境有害，且资源消耗巨大。此外，这一过程还存在地缘政治方面的风险，因为中国控制着全球锂供应链的很大一部分。由于这些不利因素，对其他类型电池（包括质子电池、钠离子电池和量子电池）的研发投资一直在不断增加。 但要取代锂元素并非易事，尤其是在像麻省理工学院这样的科研机构取得重大进展的情况下。锂实在是太有用啦，根本无法舍弃。这种元素的能量密度极高，在寒冷环境下表现良好，据《电动汽车世界》报道，它“对于高性能应用来说是不可或缺的”。因此，一些最具前景的锂离子替代品仍然是基于锂的，比如锂铁电池和固态电池。 最终，绿色能源转型很可能会依赖于全方位的电池设计策略。正如《电动汽车世界》所总结的那样：“未来并非只依赖锂或钠——而是两者并存，且在各个领域进行有策略性的应用……其结果将是一个多元化且具有弹性的电池产业。”
