很少有近期的发明比普通的锂离子电池更能证明其价值。自它们问世以来仅 30 年，它们就已遍布全球，为人们手中的智能手机供电，为电动汽车提供动力。随着它们成为可再生能源电网的关键组成部分，其重要性只会不断增加。
自 20 世纪 90 年代初以来，这些电池的价格已下降了三十多倍，同时其性能却越来越强。但它们并非完美无缺。首先，它们在极寒环境下表现不佳。在对经历过严酷冬季的人来说并不陌生的温度下，这些电池无法储存电量，也无法输出电量。
但科学家们正致力于制造更耐用的电池。在一篇于 6 月 8 日发表在《ACS Central Science》杂志上的论文中，中国几所大学的化学工程师合作开发了一种能在零下 31 华氏度（约零下 35 摄氏度）下工作的改进型电池。
根据以往的研究，科学家们知道大多数锂离子电池在零下 4 华氏度（约零下 20 摄氏度）左右就会性能骤降。在此温度以下，它们储存的电量减少，传输电量的能力也变差——这意味着更难为其供电。而且温度越低，性能越差。
对世界上大多数地方而言，零度以下的温度不是问题。但如果你住在例如美国中西部，你的电动汽车在一月份的续航里程可能不如你所愿。如果你曾经在严寒的冬天被困在户外，你可能会注意到你的手机电池似乎耗电更快。
这一缺点也意味着，锂离子电池在其他常年经历零度以下寒冷的地区无法达到工程师们所期望的最佳工作状态：例如在高山之巅、商用飞机飞行的空中，或是在寒冷漆黑的太空。
因此，布鲁克海文国家实验室的电池化学家 Enyuan Hu 表示，有大量研究致力于解决这个问题，他本人并未参与这项研究。为了解决这个问题，工程师和化学家必须对电池的内部结构进行调整。
本质上，锂离子电池由两个带电极板组成，一个负极，一个正极。中间空间填充有电解质，这是一种导电浆料，其中溶解有离子。负极通常是基于碳的材料，例如石墨；正极通常含有金属和氧原子。
而锂离子则是电池工作的关键——因此得名。
当电池工作时，这些离子从正极脱离，像顺流而下的鱼一样穿过电解质，落在负极上，在此过程中持续输送电量。当你给电池充电时，电流会迫使离子向相反方向移动。这个过程运行良好，几乎没有问题，这些移动的锂离子能为你的手机或汽车提供数小时的动力。
也就是说，直到电池温度降至零下 4 华氏度以下，这个过程才会受到影响。在过去的几年里，科学家们发现问题主要在于离子的移动本身，它们难以顺利地从电解质中移出并落在负极上。科学家们曾尝试通过制造在寒冷环境下能更好地工作的、更坚固的电解质来缓解这个问题。
然而，最新的研究人员采取了不同的方法：他们转而调整了基于碳的负极。他们决定用一种全新的材料替换石墨。他们将含钴化合物加热到非常高的温度——接近 800 华氏度（约 427 摄氏度）——生成了由碳原子组成、形似十二面骰子的小颗粒。研究人员将这些碳十二面体制成了一个比平面石墨更粗糙的极板，使其能够更好地吸附锂离子。
当他们测试他们的电池时，发现它在低至零下 31 华氏度（约零下 35 摄氏度）的温度下也能工作。即使经过了 200 多次放电、充电和再充电的循环，这款电池依然保持了其性能。
“这种材料在科学上很有趣，”Hu 说。“但其潜在应用可能有限，因为它需要[一个]复杂的合成路线。”
这就是症结所在。和许多材料一样，试图实际制造出更多这些微小的碳球是一个挑战。另外，含钴化合物也相当昂贵。另一方面，Hu 认为，这项研究可能对非常特定的应用有帮助。
这并不是这场探索的终点，而是下一个渐进的步骤。但是，随着时间的推移，科学家们正不断地拓展着这些关键电池的极限。
