十年前，如果你需要一个电池，而不是一个手电筒或闹钟，你的选择是相当有限的。锂离子电池早在20世纪90年代就进入了消费电子产品领域，研究人员刚刚开始探索锂离子电池在某些汽车应用领域的潜力。
然而，即使在2010年，科学家和决策者也知道锂离子电池并不是解决储能挑战的唯一方法。不同的应用，从重型卡车运输到电动飞机，再到将间歇性产生的可再生能源储存在电网上的大规模装置中，要求科学家们从化学和技术的角度进行更广泛的思考。
为了发现锂离子以外的关键电池技术，美国能源部（DOE）成立了联合储能研究中心（JCESR），这是一个由能源部阿贡国家实验室领导的能源创新中心，旨在将实验室、学术界和工业界联合起来，解决储能领域的关键挑战。JCESR最初的设计是一个五年的工作，其任务是开发电池，在同等重量的情况下可以储存更多的能量，同时成本更低。
在JCESR的早期，这一挑战促使人们寻找一种“神奇的子弹”——一种电池，因为它满足一定的能量密度和成本要求，能够满足各种应用的需求。“最初我们以为我们可以找到一种单一的化学物质，或者可能是一个化学家族，它可以在所有领域发挥作用，”JCESR主任、阿贡杰出研究员GeorgeCrabtree说我们发现，无论我们最终设计的是什么电池，一刀切的方法永远不会真正奏效。”
Crabtree解释说，其中一个原因是不同类型的电池应用需要不同种类的权衡。一个适合飞机的电池需要能够储存和产生相当大的能量，是锂离子的数倍，同时又非常安全。另一方面，成本不会是一个重要因素，他说，因为公司的运营成本使其资本成本相形见绌。
相反，汽车和轻型卡车的电池只需要储存足够的能量，在充电前可以行驶几百英里，但理想情况下，它们需要能够快速充电，并且安全、低成本。
阿贡材料科学家、JCESR研究整合负责人林恩·特拉希（LynnTrahey）说：“很快就很明显，你永远不会有一个电池能给你提供一切。这一设想在2010年之前一直是锂离子电池的主要用途。当今世界正朝着许多不同的应用领域发展，我们需要多种多样的电池来为它们提供服务。”
在JCESR最初五年的研究范围内，研究人员使用了不同电池的经济模型及其应用，为他们的实验和分析提供了依据。除了消费类电子产品，锂离子技术可以很好地满足这个市场的需求，JCESR的科学家们对突破性的储能技术如何改变美国经济和我们的生活方式采取了最广泛的观点。
运输用电池和电网用电池的需求相差很大。当太阳不亮或风不吹的时候，科学家们可以使用大而便宜的电池，而不是那些适合电动汽车的电池。
对于这种网格存储，JCESR的科学家们研究了氧化还原流电池的使用，与锂电池不同，这种电池使用液体而不是固体电极。氧化还原流电池得名于这样一个事实：流动的液体使电池的一边电化学地减少，或变得更负，而另一边电化学氧化，或变得更积极，因为电池充电或放电。
氧化还原液流电池的基本概念非常简单，两种不同的带电液体在两个槽之间循环，同时在两组槽之间的电化学电池中通过传输膜共享离子。然而，Crabtree说，由于这种流体在水基溶液中通常是无机盐，所以它们的能量密度和节约成本的潜力是有限的。
为了克服氧化还原液流电池的这些局限性，JCESR的科学家们想看看它们是否可以使用有机分子作为基础。为此，他们开发了一组称为“氧化还原剂”的分子，这是一种有机聚合物，在有机溶剂中使用时可以提高电池电压。
特拉希说：“氧化还原炉最棒的地方在于它们数量众多，用途广泛。有成千上万种不同的有机分子，它们可以用上千种不同的方式进行配置。当我们探索这个广阔的空间时，我们会了解到哪些配置能够实现我们想要的目标性能，例如高压、快速充电、高安全性或低成本。机器学习，即计算机学习产生高电池性能的原子和分子特征，极大地加快了新材料和更好材料的发现。”
就像电网一样，运输用电池必须有多种用途。JCESR的科学家们研究过锂氧电池、锂硫电池和“多价离子”电池。与锂离子的电荷为+1不同，多价离子的电荷为+2或+3，使它们在每次通过电池时都能进行更多的电化学工作。只要能找到合适的材料组合，这些电池都有望以比锂离子电池更低的成本获得更高的能量密度。
JCESR早年的一个重要教训是如何找到合适的材料。虽然有许多候选人，但也有许多表现要求和许多不必要的副作用，往往阻止一个有前途的候选人取得分数。
近年来，JCESR的经营理念发生了变化。JCESR的研究人员没有试图寻找专门针对特定技术需求的电池化学试剂，而是用“自上而下”的方法来换取“自下而上”的方法，即他们专注于原子和分子水平上不同化学过程的基础研究。
Crabtree说：“我们的想法是为了更好地理解储能的材料和现象，以便我们能够为各种应用设计各种各样的电池。在原子和分子水平上对储能有着广泛的了解，这是一项新功能，使我们能够按原子和分子定制设计电池，并满足任何应用的整体电池性能要求。”
“利用先进的光源和机器学习等最先进的技术，我们可以探索电池化学的一些我们从未预料到的领域。这太令人兴奋了。”特拉希补充道。
