全球拥有的手机数量超过了人口数量。其中几乎所有手机都由可充电锂离子电池供电。在过去几十年推动便携式电子产品革命的各项要素中，锂离子电池是最重要的一项。如果这些设备的电量不足以支撑至少几个小时的使用，同时又不能做到相对轻便，就不会受到用户青睐。
锂离子电池也适用于电动汽车等大型应用，以及智能电网储能系统。此外，研究人员在材料科学领域的创新旨在改进锂离子电池，并为性能更出色的电池铺平道路。市场已经开始出现对容量大且不会起火或爆炸的电池的需求。许多人还希望电池更小、更轻，几分钟甚至几秒钟就能充满电，同时还能储存足以让设备运行数天的能量。
不过，像我这样的研究人员思考得更为大胆。如果汽车和电网储能系统能够在多年甚至数十年间反复充放电数万次，它们的性能就会更好。维护人员和客户会很乐意使用能够自我监测、在受损或无法保持最佳性能时发出警报，甚至能够自行修复的电池。我们也完全可以设想，将兼具双重用途的电池嵌入物品结构之中，让它在为智能手机、汽车或建筑供能的同时，也塑造其外形。
随着我和其他人的研究帮助科学家与工程师日益娴熟地在单个原子尺度上操控和处理物质，这一切或许都能成为现实。
新兴材料
储能技术的进步在很大程度上将依赖材料科学的持续发展：既要突破现有电池材料的性能极限，也要开发全新的电池结构和成分。
电池行业已经在努力降低锂离子电池的成本，其中一项做法是从其正极（即阴极）中去除昂贵的钴。这也能减少这类电池带来的人道代价，因为刚果是全球钴的主要来源地，当地许多矿场让儿童从事艰苦的体力劳动。
研究人员正在寻找以主要由镍制成的正极材料替代含钴材料的方法。最终，他们或许能够用锰替代镍。这些金属都比前一种金属更便宜、更丰富，也更安全易于处理。但这也有代价，因为它们的化学性质会缩短电池的使用寿命。
研究人员也在探索用其他离子替代在两个电极之间往返的锂离子，以及采用可能更便宜、也更安全的电解质，例如以钠、镁、锌或铝为基础的电解质。
我的研究团队研究使用二维材料的可能性。这类材料本质上是具有实用电子特性的超薄物质片层。石墨烯或许是其中最知名的一种，它是仅有一个原子厚的碳片。我们想探究，将各种二维材料层层堆叠，再让水渗入叠层，或以其他导电液体渗入，是否能成为快速充电电池的关键组成部分。
探察电池内部
推动电池创新的不只有新材料：新设备和新方法也让研究人员能够比过去更轻松地观察电池内部发生的情况。
过去，研究人员会让电池经历特定的充放电过程或一定次数的循环，然后取出电池材料进行事后检查。只有这样，学者才能了解过程中发生了哪些化学变化，并据此推断电池的实际工作原理以及影响其性能的因素。
如今，研究人员可以观察电池材料在储能过程中发生的变化，甚至实时分析其原子结构和成分。我们可以采用先进的光谱技术，例如利用一种称为同步辐射光源的粒子加速器开展的X射线技术，也可以使用电子显微镜和扫描探针，观察离子的移动和物理结构的变化，了解能量如何储存在电池材料中，又如何从中释放。
这些方法让像我这样的研究人员能够构想新的电池结构和材料，制造出来并观察其实际效果。这样，我们就能推动电池材料革命继续发展。
