电池技术创新是弥合储能需求与现有生产能力差距的关键，既能提升电池性能又能保障安全。本文专访芝加哥大学分子工程学教授Y Shirley Meng、SES人工智能首席技术官Dr. Kang Xu，以及德雷克塞尔大学材料科学与工程学教授 Dr. Yury Gogotsi，共同探讨这些前沿电池技术及其实际应用。

为什么我们需要新的电池技术？它们必须解决哪些未满足的需求？

Dr. Y Shirley Meng: 全球储能需求预计将达200-300TWh（太瓦时），远远超出当前锂离子电池产能。虽然锂离子技术已取得长足进步，特别是在安全性方面，但目前仍迫切需要在不降低安全性的前提下，提升可扩展性、降低电池材料成本并提高电池性能。

Dr. Yury Gogotsi：这不仅仅是扩大单一电池类型的应用规模。电动飞机、无人机、物联网设备和电网储能等不同应用场景，都有各自特定的需求。有的需要高比能量密度，有的则更看重体积效率或长循环寿命。没有一种化学成分能满足所有需求，因此我们需要多种电池技术组合，每种电池技术都要针对其具体用途进行优化。这一切都始于电池材料创新。

Kang Xu: 没错，而且当今锂离子化学的局限性正变得越来越明显。它已接近其固有的电池性能极限，特别是对于电动航空等需要更高能量密度的下一代应用来说。满足这些需求不会来自偶然发现，它需要从头开始对新电池材料进行合理、有针对性的设计。

（图片提供: IM Imagery/Shutterstock.com）

您认为电池技术在未来十年将如何发展？

Dr. Y Shirley Meng: 电池材料科学的突破性进展很大程度上源于对材料特性的深入认知。我们团队运用冷冻透射电镜和同步辐射X射线等尖端技术，从原子尺度观测电化学反应过程。这种微观层面的理解为新一代电池系统研发指明方向。通过与美国能源部储能研究联盟等机构合作，我们正在探索锂离子电池材料的替代方案，包括钠离子电池、有机液流电池及金属空气电池。这些创新电池技术不仅能有效降低生产成本，还能推动电池技术供应链实现区域化布局。

Kang Xu: 在SES电解质界面人工智能（SEI AI）研究领域，我们另辟蹊径采用电池材料互补策略。通过量子化学与人工智能的深度融合，探索海量电解质分子的可能性。借助深度学习电池技术，我们能以更高效的速度设计和评估新型化合物，致力于开发出能形成理想固态-电解质界面（SEI）的锂金属电池电解质。这不仅将显著提升电池性能，更能有效保障电池使用安全性，堪称电池技术突破的重要里程碑。

Dr. Yury Gogotsi: 电池应用领域正以惊人速度扩展，从可穿戴设备的微型电池到柔性可打印系统，我们需要量身定制的电池技术解决方案来应对这一变革。我们团队专注于研究MXene材料，这类二元材料不仅导电性能卓越，机械强度也极为优异。我们正致力于将其开发为多功能组件，既能提升电池材料的柔韧性、导电性和能量密度，又能简化电池制造工艺流程。

锂金属、固态和钠离子电池的未来将是什么？

Shirley Meng: 这些电池技术并非相互竞争，而是相辅相成。固态电池可以支持高能量的锂或钠金属阳极，为电池性能提升开辟了新途径。与此同时，液态电解质系统仍有很大改进空间，特别是在电池材料快速充电和精简制造方面。像干式电极加工这样的创新技术，可能会为所有化学体系带来显著优势。

Kang Xu: 锂将继续在高能量密度至关重要的领域占据主导地位。但没有一种化学成分能满足所有需求。例如，钠离子非常适合成本敏感或固定存储应用。除了电池材料本身，人工智能正在为安全监控和生产控制开辟新的可能性。这些都是我们在几年前无法想象的。

Dr. Yury Gogotsi: 我们还应该关注锌离子电池和其它水性系统。它们为安全、经济且可扩展的储能提供了一条很有前景的途径。固态电池仍然面临离子传输缓慢和界面挑战等关键障碍，但电池制造创新可以帮上忙。3D打印等技术最终可能会彻底改变电池的制造方式。

人工智能和机器学习是如何应用到您的工作中？

Dr. Y Shirley Meng: 我们正在利用人工智能进行TRL较低的研究材料发现。例如，在能源存储研究联盟中，我们应用机器学习来识别具有高潜力的有机分子，用于能源存储，我们称之为“软物质组学”。

Kang Xu: 我们还在将人工智能用于分子设计和性能预测。我们的模型筛选数十亿个候选电解质分子，然后模拟它们的行为，用于识别有前途的化合物。在电池生产方面，人工智能帮助我们在故障发生前预测故障模式。

什么特性工具对推进电池材料最为关键？

Dr. Y Shirley Meng: 低温透射电镜技术（Cryo-TEM）堪称革命性突破，它让我们能够直接观测锂和钠金属的反应过程，彻底摆脱了传统观测中常见的伪影干扰。然而固态系统带来了全新挑战，尤其是那些难以触及的埋藏界面。未来我们需要将同步辐射技术与超洁净电池样品制备方法相结合，才能揭示这些原本不可见的微观世界。

下一代电池最大的电解质挑战是什么？

Kang Xu: SEI仍有点像黑盒子。要真正了解它，我们需要新的、非侵入性的工具，尤其是让我们能够实时观察其行为的原位技术。与此同时，我们正在构建人工智能模型，帮助处理和解释来自先进显微镜和光谱学的海量数据。

像MXenes和碳化物这样的新材料与传统电池材料相比如何？

Dr. Yury Gogotsi: MXenes的电池导电性能远超还原氧化石墨烯，能实现电池快速充电和极低的电阻损耗。它们还能充当集流体、粘合剂或活性电池材料，让电池设计变得更薄、更高效，甚至可以做成柔性电池。对于超级电容器和可打印电池这类应用来说，MXenes堪称革命性突破。

人物介绍

Dr. Y Shirley Meng

芝加哥大学分子工程教授Y Shirley Meng博士，电池材料和能源存储科学的领先专家，孟教授的研究重点是材料的原子级控制和先进的表征，从而提高电池性能、安全性和可持续性。

Dr. Kang Xu

康旭博士（Dr.Kang Xu）是SES AI首席技术官。康博士在锂离子电池电解液化学领域拥有超过二十年的从业经验，曾任职于美国国防部，目前领导世安科技人工智能在下一代锂金属电池技术和人工智能增强材料发现领域的创新工作。

Dr. Yury Gogotsi

Yury Gogotsi博士，德雷克塞尔大学A.J.德雷克塞尔纳米材料研究所所长，材料科学与工程教授，Gogotsi教授以其在电池和超级电容器中使用的纳米材料和二维碳化物（MXenes）而闻名。