您的下一块电池可能会印在纸上

供应链的动荡似乎无处不在，从半导体扩展到各种商品。面对地缘政治事件，商品和自然资源价格波动如此之大，再加上对电动汽车的需求增长，世界可能会在2025年面临锂短缺（根据国际能源署的评估）。面对日益增长的锂需求，学术界和工业界的研究人员已经开始研究替代电池材料以克服这些挑战。

瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）的研究人员提出的最有趣的发展之一，其研究结果发表在最近一期的自然杂志上。他们宣布了一种创新的水激活电池材料，可以在一张纸上打印。理论上，这种电化学活性材料可以打印在任何基材上，例如像塑料这样的柔性绝缘体。

虽然没有人建议将纸质电池用于电动汽车，但该材料在单个电池中的输出电压可达1.2伏（与镍氢电池化学性质相当）。因此，这种类型的材料堆叠可以用作手持电子设备或其他小型设备的小型一次性电池。这不是解决锂短缺的万能方案，但这些替代材料可以允许将锂转移到更关键的领域，如电动汽车。

一种基于墨水的电池材料

Empa的研究人员开发的材料实际上是一种基于碳的层状材料，包括石墨、碳黑、锌作为阳极和盐。这种碳盐基化学物质可以通过加水来激活，如下所述。下面的图形显示了这种电池材料的层状结构。

石墨+碳黑的顶层和底层充当参与电池电化学反应的活性层。当涂有盐并暴露于水时，产生的电化学反应可以使电流通过连接的电路流动。

这一特定的发现并不是一个可行的系统，它只是展示了一种新化学物质的示范，这种化学物质确实可以产生足够的功率来驱动小型电子设备。电力输出与镍氢和碱性电池兼容，表明从电化学角度来看，该材料是可行的。商业方面则是另一回事，正如我下面所概述的。

所以这是我们都熟悉的标准电池化学性质的替代品吗？可能不是，但碳材料正在作为阳极材料被用于基于锂的化学性质中，为电气化系统提供了几个好处。

替代材料具有吸引力，但需要长期发展

尽管旨在完全替代现有化学成分（包括锂）的替代电池材料是一个持续的研究话题，但这一途径的发展道路漫长，且商业化之路充满风险。因此，电池材料行业已将重点放在电池设计改进上，包括使用类似材料来改善电池操作，而不改变电池中的化学成分。

为什么我们应该关心电池化学成分的变化？从可持续性和确保电气化需求得以满足的角度来看，寻找一个能与锂相媲美的替代化学成分是一个有吸引力的途径。问题来自于商业化：基于锂的和其他基于金属的化学成分已经被充分理解，并且已经从安全角度进行了资格认证。这使得在基本的基于锂的化学成分之上进行建设成为一个从风险和责任角度来看具有吸引力的选项。如果开发出新的化学成分并且有一条通往商业化的道路，新的化学成分将需要展示一定级别的法规遵从性以及向客户证明可靠性。

基于这些原因，电池行业材料开发者最近的焦点已经转向使用碳材料在现有电池设计中进行渐进式改进。电池设计师可以在这些新电池设计中利用现有的电池制造、测试和质量控制知识，同时仍然享受基于碳的化学成分带来的好处。

在现有电池化学成分中使用的基于碳的材料的一些主要好处包括：

正在开发以改善锂离子电池的主要基于碳的材料之一是功能化石墨，它可以容易地制造并用于构建锂离子电池系统的阳极。另一种基于碳的材料是碳纳米管，它们因其沿轴向的高弹道电荷传输而受益。当这些材料被纳入电池系统时，它们在已经可靠的电池化学成分中提供了更高的充放电速率和容量。

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