所有的特斯拉Model S通过插入墙体的插座充电。来源：Tesla Motors

近年来全球市场对电动汽车的需要逐渐增长。截止2015年一月，已有超过74万辆电动汽车已经在道路上行驶，而这个数字到2020年有望达到数百万辆。锂离子电池有可能成为所有这些汽车的电池。其他很多的电池技术，例如锂硫和镁离子电池也正在研制当中，但是都不能取代锂离子电池的位置。“和其他材料比起来，锂离子电池可谓一骑绝尘。”MIT的材料科学与工程学院教授Yet-Ming Chiang说。

自从索尼公司1992年首次推出锂离子电池以来，锂离子电池已经走过了很长的一条路。今天，其能量存储量已经翻了一倍，其制作成本也讲到了每千瓦时300美元，只有2008年时候的三分之一。但是要想让电动汽车走进千家万户，制造商必须进一步降低电池的价格，且续航要求达到300公里，这就要求电池具有非常高的能量密度。研究人员希望通过调整电极化学反应来达到这样的目标。

在锂离子电池中，电解质浸泡隔膜将阳极和阴极分隔开。在放电过程中离子可以从阳极运动到阴极，而在充电时则向反方向运动。目前电池中的阳极采用石墨，而在锂离子电池中电解质采用的是有机溶剂中溶解的锂盐。而阴极则是由不同的具有锂离子的材料，决定着电池的性能。阴极中储存的能量依赖于材料的充电储存能力和吸收、释放锂离子的电压。因此研究人员的目标是，开发具有高蓄电能力和电压的阴极材料。

任何新电极材料都需要非常稳定，且可以和电池中其他组件协同合作。稳定性的一大问题是，当锂离子电池拖出时，阴极材料晶体结构的断裂。长此以往这会减少电极锂离子储存能力，从而使其发生断裂。当阴极的操作电压太高，它会氧化和分解液态电解质。其他副反应会导致阴极的腐蚀或者表面的分解。手机和笔记本中的电池使用的是钴酸锂阴极，其能量密度可达到150-190 Wh/kg。但是由于其价格很高，但稳定性很低，从而使得其不适合用于电动汽车。因此今年来研究人员希望通过用镍或者锰元素替换其中的钴元素来增加稳定性。其中一种非常有前景的材料是锂镍锰钴(NMC)。其能量密度可达140−180 Wh/kg，且其充电次数是钴酸锂电池的两倍。电动汽车的电池一般可以充放电1500次，一些电动汽车例如Nissan Leaf 和BMW i3就使用的这种材料。与此同时，特斯拉Model S 采用的是锂镍钴氧化铝(NCA)。这种新型材料的能量密度高达240 Wh/kg，但是其造价相对较高，且需要相应的液冷系统来防止温度过高。

如今，新型阴极材料的寻找也包括改变现有材料的组分。研究人员的绝大多数精力都投入到了NMC材料的开发中。汽车行业希望通过增加NMC电池中镍的含量来提高其操作电压。目前NMC电池中的镍-锰-钴的重量相等，但是该行业正寻求将比例改变为5-2-3或者6-2-2。阿贡国家实验室和橡树岭国家实验室的研究人员也正在努力提高富含锂离子和锰离子的NMC阴极材料，其能量密度有望达到280 Wh/kg，但是其电压会随着时间降低。

当大部分的研究都着眼于阴极材料的开发时，也有一些科学家将眼光落在了阳极化学上。主要的一些电池生产商都开始尝试使用石墨烯阳极，其电荷储存能力可提高十倍。由于吸收离子时，硅会急速膨胀，因此经过几百圈的循环之后也会发生衰退。研究人员也在努力限制这一衰退，例如硅与石墨或石墨烯相结合，将其嵌入保护涂层，或使用硅纳米结构等。一些研究机构也在致力于开发由纯的锂金属和石墨烯制成的阳极。

目前还很难预测究竟哪种锂离子电池会增加行驶里程，同时降低电动车成本。但是很显然化学家有着发挥所长的领域。“电池并不仅仅是收集材料，其也是一个系统，其中的材料需要协同工作。而这也是电池发展道路上最重要的挑战之一。”Chiang说。

新材料在线编译整理——翻译：杨超    校正：摩天轮