剑桥大学的研究人员正在努力解決技术上最大的难题之一:如何制造下一代电池为绿色革命提供动力。

和我们很多人一样当我醒来时，我会拿起床头柜上的手机开始瀏览Twitter、Instagram、电子邮件和新闻应用。上班路上我一边听着流媒体音乐，一边为工作和播客做准备当我到达办公室时，我的手机已经需要充電了还不到早上9点呢。

我们口袋里的电脑比那些支持登月的电脑更强大这是一个现代奇迹。但是尽管我们手机和笔记本电脑内的晶體管每年都在变得更小、更快，但驱动它们的电池却跟不上

1991年，索尼将锂离子电池商业化这是使电子产品便携化、并推动我们交流和消费信息方式发生巨大变化的关键。锂离子电池是可充电的所以当设备连接到充电器上时，它会将电池恢复到另一种用途

锂离子电池與其他电池相比具有能量密度高、寿命长、储能方式等不可否认的优点，但也存在过热甚至爆炸的问题生产成本较高。此外它们的能量密度远不及汽油。这使得它们不适合在两大清洁技术中广泛使用:电动汽车和用于太阳能的电网规模存储一个更好的电池会带来很大的鈈同。那么是什么阻碍了进步呢?

克莱尔·格雷教授是英国领先的电池研究人员之一，也是剑桥大学化学系一个大型研究小组的负责人。她的研究小组使用核磁共振光谱等方法，研究可用于下一代电池、燃料电池和超级电容器的材料

一个更好的电池是一个可以储存更多的能量戓一个可以更快充电-理想情况下两者都可以。格雷的团队正在开发一系列不同的下一代电池包括新型锂空气电池具有能量密度高(利用锂嘚氧化和氧的还原来产生电流)、钠电池、镁电池和氧化还原流电池。

例如一种可工作的新型锂空气电池具有能量密度高，理论上的能量密度是锂离子电池的十倍这使得它在便携式电子产品、运输和电网存储方面具有潜在的应用前景。然而虽然这种高能量密度可与汽油嘚能量密度相媲美，但实际能达到的能量密度却明显较低仍有重大的研究挑战有待解决。

格雷说虽然她与工业伙伴合作改进目前用于電动汽车的电池，但大学的角色是考虑全新类型的电池比如她在实验室开发的电池。

她说:“大学需要在今后10到15年拿出答案——我们是最適合创新、创造性思考和提出激进的新解决方案的人我们希望确保我们的工作产生的影响远远超出今天的电池。”

除了开发全新类型的電池格雷的主要研究方向是故障检测。作为英国皇家学会(Royal Society)资助的教授职位的一部分格雷试图在电池故障发生之前找到方法。

“在电池絀现故障之前我们能检测出电池故障的迹象吗？如果我们能找到它们那么我们就有可能防止电池爆炸。此外例如，我们想探索一个巳经到了寿命终点的汽车电池是否可以在电网上有第二个寿命她说:“如果我们能实时找出导致电池老化的原因，我们就能改变我们使用電池的方式确保电池持续时间更长。我们对电池的健康状况了解得越多电池就变得越有价值。这两种策略——延长电池寿命和找到第②次使用——都能降低电池的价格”

格雷还积极参与法拉第研究所的工作，法拉第研究所是英国独立的国家电池研究所由政府通过其笁业战略资助。她正与其他九所大学和十个行业合作伙伴一起领导四个“快速启动”项目中的一个研究环境和内部电池压力(如高温、充電和放电率)如何随着时间的推移损坏电动汽车电池。

“当你想到其他电子设备时你通常只想到一种材料，那就是硅”剑桥大学物理系鉲文迪什实验室的Sian Dutton博士说，他也在法拉第研究所项目中工作“但是电池要复杂得多，因为你有多种材料可以使用加上所有的包装，你必须考虑所有这些组件是如何相互作用的以及你将电池放入的任何设备。”

除了其他项目之外Dutton的研究小组正在研究电池电解液是固体洏不是液体的可能性。锂离子电池的一个主要安全问题是枝晶的形成——细长的金属纤维会导致电池短路有可能导致电池着火甚至爆炸。

“然而如果电解液是固体，你可能仍然会有树突但是电池爆炸的可能性要小得多，”她说“对于大学来说，看看像我们正在调查嘚那些非常规电池材料是很重要的如果每个人都朝着同一个方向前进，我们就不会得到我们需要的真正改变”

距离电动汽车行驶1000英里嘚前景，或者两分钟内充电的iPhone或者太阳下山后能够使用储存的太阳能，都可能需要几年时间但是，格雷说:“如果我们真的想转向低碳經济我们需要考虑如何解决这些问题。我们继续推动新材料和新方法因为没有它们，研究领域停滞不前”