應對氣候變遷的最大挑戰之一是能源儲存。化石燃料本質上是自我儲存的，其能量被鎖定在自己的化學鍵中。但是，如何儲存更永續但轉瞬即逝的能源形式，例如風能和太陽能？

對於材料科學與工程(MSE) 副教授Eric Detsi 來說，答案是電池，但需要注意的是，電池的功率足以滿足未來的能源需求——國際能源署預計，到2030 年，全球電池容量將需要增加六倍。

在當今使用的大多數電池中，從鬧鐘等家用電器中的一次性鹼性電池到可充電鋰離子電池在混合動力和電動車，離子在其間流動的電極通常由固體材料喜歡金屬氧化物或石墨。但是，正如 Detsi 指出的那樣，電池的每次充放電循環都會損壞材料，因為電極膨脹和收縮，有時高達 300%，這也是可充電電池逐漸失去容量並最終失效的原因之一。

「高性能電池需要能夠儲存大量鋰、鈉和鎂的材料，」Detsi 說。“問題在於，電池材料儲存的鋰、鈉或鎂越多，在充電和放電過程中膨脹和收縮就越大，從而導致巨大的體積變化。”

一些研究人員，包括2019 年已故諾貝爾獎得主、鋰離子電池之父之一約翰·古迪納夫(John Goodenough)，最近開始開發採用液體電極的電池，這種電池在體積變化時不會破裂。但液體電極還面臨其他挑戰，即安全製造和使用像水氣球一樣的電池的困難。換句話說，光是製造更大的或液態電池是行不通的——為了設計未來的電池，研究人員需要創造全新的材料。

此外，隨著電池需求的增加，大量生產的可充電電池中通常使用的許多元素（如鋰和鈷）正變得越來越昂貴，更不用說涉及侵犯人權的問題了。（去年，諾丁漢大學教授西達斯·卡拉（Siddarth Kara）發表了《鈷紅：剛果的血液如何為我們的生活提供動力》一書，揭露了剛果民主共和國惡劣的勞工實踐，該國生產了三名工人。

「新興市場對高性能電池的需求儲能電網規模儲存和電動車等應用促使我研究電池材料，」Detsi 說。

為此，他的團隊一直在研究主要由鈉和鎂製成的電池，由於鈉和鎂在地殼中含量豐富，因此這種電池更便宜且不那麼道德。更重要的是，美國的鈉、鎂資源豐富，例如，根據美國地質調查局（USGS）的統計，碳酸鈉（純鹼）儲量佔世界儲量的68.8%，氯化鈉（食鹽）儲量佔世界儲量的14.5%，製造鈉所需的物質在美國發現。

Detsi 的團隊正在使用這些金屬來開發可以在液態和固態之間轉換的電極，以避免充電週期期間的損壞，同時仍易於製造。

「當材料處於固相時，由於電荷儲存過程中發生巨大的體積變化，它將開始降解，」Detsi 說。“然而，當材料從固體轉變為液體時，它會通過從體積變化引起的降解中恢復來‘修復’自身。”

首先，Detsi 使用由五鎵酸二鎂 (Mg₂嘎₅），鎂和鎵的混合物，後者的熔點較低，使得此類合金容易從固態轉變為液態。

2019 年，Detsi 的實驗室與Eduardo D. Glandt 校長在MSE、機械工程和應用力學(MEAM) 以及生物工程(BE) 領域的傑出教授Vivek Shenoy 的實驗室一起，展示了由鎂製成的自愈陽極2_嘎5_{可承受超過 1,000 次充電週期} 。“在我們開展工作之前，”Detsi 說道，“最先進的鎂離子電池陽極的循環壽命僅為 200 次。”

換句話說，添加自癒陽極使鎂離子電池的初始壽命延長了五倍。

今年早些時候，Detsi 的實驗室進一步突破了極限，使用了在室溫下熔化的鎵銦陽極，這有可能為商業應用打開大門。實驗陽極經過 2,000 次充電循環後仍保持 91% 的電池容量。「這是前所未有的，」德西說。就上下文而言，iPhone 15 可以維持 1,000 次充電週期，同時保留 80% 的電池容量。

為了推進該項目，Detsi 和他的合著者——Lin Wang 和 Alexander Ng（最近獲得博士學位）。畢業生和博士後 Roxana Family 採用了各種先進的成像技術來更好地了解材料從固體到液體的轉變，包括 X 射線衍射、X 射線散射、X 射線光譜和低溫掃描電子顯微鏡。後一種技術涉及在不同階段冷凍液態金屬陽極，以更好地研究自癒過程，正如 Detsi 和他的團隊在一篇論文中所描述的那樣。2023論文發表於ACS 能源快報。

大約十年前，當德西和他的團隊開始探索自癒鈉和鎂離子電池的概念時，幾乎沒有人認真對待他的想法。

「我記得我們關於鈉離子電池的一項提案的審稿人問，既然鈉離子電池如此出色，為什麼沒有商業化，」德西說。“當時，只有一家新創公司開發鈉離子電池。現在全球有很多公司。”