应对气候变化的最大挑战之一是能源储存。化石燃料本质上是自我储存的，其能量被锁定在自己的化学键中。但是，如何存储更可持续但转瞬即逝的能源形式，例如风能和太阳能呢？

对于材料科学与工程 (MSE) 副教授 Eric Detsi 来说，答案是电池，但需要注意的是，电池的功率足以满足未来的能源需求——国际能源署预计，到 2030 年，全球电池容量将需要增加六倍。尚不存在。

在当今使用的大多数电池中，从闹钟等家用电器中的一次性碱性电池到可充电锂离子电池在混合动力和电动汽车，离子在其间流动的电极通常由固体材料喜欢金属氧化物或石墨。但是，正如 Detsi 指出的那样，电池的每次充放电循环都会损坏材料，因为电极膨胀和收缩，有时高达 300%，这也是可充电电池逐渐失去容量并最终失效的原因之一。。

“高性能电池需要能够储存大量锂、钠和镁的材料，”Detsi 说。“问题在于，电池材料储存的锂、钠或镁越多，在充电和放电过程中膨胀和收缩就越大，从而导致巨大的体积变化。”

一些研究人员，包括 2019 年已故诺贝尔奖获得者、锂离子电池之父之一约翰·古迪纳夫 (John Goodenough)，最近开始开发采用液体电极的电池，这种电池在体积变化时不会破裂。但液体电极还面临其他挑战，即安全制造和使用像水气球一样的电池的难度。换句话说，仅仅制造更大的或液体电池是行不通的——为了设计未来的电池，研究人员需要创造全新的材料。

此外，随着电池需求的增加，大量生产的可充电电池中通常使用的许多元素（如锂和钴）正变得越来越昂贵，更不用说涉及侵犯人权的问题了。（去年，诺丁汉大学教授西达斯·卡拉（Siddarth Kara）发表了《钴红：刚果的血液如何为我们的生活提供动力》一书，揭露了刚果民主共和国恶劣的劳工实践，该国生产了三名工人。-世界钴的四分之一。）

“新兴市场对高性能电池的需求储能电网规模存储和电动汽车等应用促使我研究电池材料，”Detsi 说。

为此，他的团队一直在研究主要由钠和镁制成的电池，由于钠和镁在地壳中含量丰富，因此这种电池更便宜且不那么道德。更重要的是，美国的钠、镁资源丰富，例如，根据美国地质调查局（USGS）的统计，碳酸钠（纯碱）储量占世界储量的68.8%，氯化钠（食盐）储量占世界储量的14.5%，制造钠所需的物质在美国发现。

Detsi 的团队正在使用这些金属来开发可以在液态和固态之间转换的电极，以避免充电周期期间的损坏，同时仍然易于制造。

“当材料处于固相时，由于电荷存储过程中发生巨大的体积变化，它将开始降解，”Detsi 说。“然而，当材料从固体转变为液体时，它会通过从体积变化引起的降解中恢复来‘修复’自身。”

首先，Detsi 使用由五镓酸二镁 (Mg₂嘎₅），镁和镓的混合物，后者的熔点较低，使得此类合金很容易从固态转变为液态。

2019 年，Detsi 的实验室与 Eduardo D. Glandt 校长在 MSE、机械工程和应用力学 (MEAM) 以及生物工程 (BE) 领域的杰出教授 Vivek Shenoy 的实验室一起，展示了由镁制成的自愈阳极2_嘎5_{可承受超过 1,000 次充电周期} 。“在我们开展工作之前，”Detsi 说道，“最先进的镁离子电池阳极的循环寿命仅为 200 次。”

换句话说，添加自愈阳极使镁离子电池的初始寿命延长了五倍。

今年早些时候，Detsi 的实验室进一步突破了极限，使用了在室温下熔化的镓铟阳极，这有可能为商业应用打开大门。实验阳极经过 2,000 次充电循环后仍保持 91% 的电池容量。“这是前所未有的，”德西说。就上下文而言，iPhone 15 可以维持 1,000 次充电周期，同时保留 80% 的电池容量。

为了推进该项目，Detsi 和他的合著者——Lin Wang 和 Alexander Ng（最近获得博士学位）。毕业生和博士后 Roxana Family 采用了各种先进的成像技术来更好地了解材料从固体到液体的转变，包括 X 射线衍射、X 射线散射、X 射线光谱和低温扫描电子显微镜。后一种技术涉及在不同阶段冷冻液态金属阳极，以更好地研究自愈过程，正如 Detsi 和他的团队在一篇论文中所描述的那样。2023论文发表于ACS 能源快报。

大约十年前，当德西和他的团队开始探索自愈钠和镁离子电池的概念时，几乎没有人认真对待他的想法。

“我记得我们关于钠离子电池的一项提案的审稿人问，既然钠离子电池如此出色，为什么没有商业化，”德西说。“当时，只有一家初创公司开发钠离子电池。现在全球有很多公司。”