托馬斯·愛迪生失敗的可充電電池或迎來第二春

這位著名發(fā)明家的鎳鐵構(gòu)想雖不適用于電動(dòng)汽車，卻可為太陽能電廠和數(shù)據(jù)中心提供助力。

一種基于托馬斯·愛迪生開創(chuàng)性技術(shù)的可充電電池，或許終將迎來它的高光時(shí)刻。盡管這位著名發(fā)明家在一個(gè)多世紀(jì)前曾設(shè)想用鎳鐵電池驅(qū)動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)，如今研究人員卻認(rèn)為，這一基礎(chǔ)理念更適合用于可再生能源中心。根據(jù)發(fā)表于《Small》期刊的研究，包括加州大學(xué)洛杉磯分校工程師在內(nèi)的團(tuán)隊(duì)已開發(fā)出一款原型電池，該電池可在數(shù)秒內(nèi)完成充電，并承受超過12000次充放電循環(huán)——相當(dāng)于每日使用30余年的壽命。

可充電電力并非新鮮概念。截至1900年，美國道路上行駛的電動(dòng)混合動(dòng)力汽車實(shí)際上已超過燃油汽車。1901年，愛迪生為可工作的鉛酸汽車電池申請(qǐng)專利并名聲大噪，這項(xiàng)發(fā)明幾乎引領(lǐng)整個(gè)20世紀(jì)走向截然不同的方向。遺憾的是，在愛迪生實(shí)現(xiàn)鎳鐵電池的迭代之前，其成本與30英里的續(xù)航里程最終不敵內(nèi)燃機(jī)。

歷經(jīng)一個(gè)多世紀(jì)的創(chuàng)新以及化石燃料帶來的毀滅性后果，如今可再生能源已根基穩(wěn)固。盡管多數(shù)人對(duì)鋰離子充電電池更為熟悉，愛迪生的鎳鐵理念并未完全消亡。加州大學(xué)洛杉磯分校的工程師承認(rèn)，這項(xiàng)技術(shù)雖未必適用于交通領(lǐng)域，卻在太陽能電廠等基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中展現(xiàn)出驚人潛力。

盡管該裝置的根基依賴于納米尺度的原子級(jí)鍵合，研究合著者、生物化學(xué)家馬希爾·埃爾-卡迪表示，其原理相對(duì)易于理解。

"人們常將現(xiàn)代納米技術(shù)工具視為復(fù)雜尖端科技，但我們的方法卻出奇地簡(jiǎn)單直接。"他在近期加州大學(xué)洛杉磯分校的專訪中說道。

埃爾-卡迪團(tuán)隊(duì)的靈感源自兩大源泉：元素化學(xué)與骨骼解剖學(xué)。脊椎動(dòng)物的骨骼與甲殼均通過特定蛋白質(zhì)框架構(gòu)筑含鈣化合物。

"以正確方式沉積礦物質(zhì)，能造就強(qiáng)韌且不易脆裂的骨骼。實(shí)現(xiàn)方式幾乎與使用何種材料同等重要，而蛋白質(zhì)則引導(dǎo)著礦物質(zhì)的排列位置。"材料科學(xué)家、研究合著者里克·卡納解釋道。

埃爾-卡迪與卡納設(shè)想：若用鎳、鐵替代鈣元素，能否適配這一體系？他們轉(zhuǎn)向牛肉加工的殘余副產(chǎn)品，將其注入氧化石墨烯——一種單原子厚度的碳氧片層。最終，他們成功培育出折疊蛋白結(jié)構(gòu)，其中充盈著帶正電的鎳原子與帶負(fù)電的鐵。這些簇團(tuán)寬度不足五納米，需一萬至兩萬個(gè)簇團(tuán)并置才能達(dá)到發(fā)絲直徑。

氧化石墨烯中的氧原子通常起絕緣作用，這會(huì)阻礙電池效能。但團(tuán)隊(duì)自有對(duì)策：將產(chǎn)物置于超高溫水中，高溫將蛋白質(zhì)碳化并消除所有氧氣。與此同時(shí)，金屬簇團(tuán)進(jìn)一步嵌入結(jié)構(gòu)內(nèi)部。最終形成的氣凝膠按體積計(jì)近乎99%為空氣。由此，表面積引發(fā)的驚人動(dòng)力學(xué)效應(yīng)開始顯現(xiàn)。

"當(dāng)我們將較大顆粒細(xì)化至這般極微納米簇，表面積會(huì)急劇增長。這對(duì)電池而言是巨大優(yōu)勢(shì)。"埃爾-卡迪表示，"當(dāng)顆粒微小至此，幾乎每個(gè)原子都能參與反應(yīng)。因此充放電速度大幅提升，儲(chǔ)電能力增強(qiáng)，整塊電池的工作效率也得以優(yōu)化。"

目前埃爾-卡迪的鎳鐵氣凝膠電池在儲(chǔ)能容量上遠(yuǎn)不及鋰離子電池，尚不適用于電動(dòng)汽車。但這不意味著它僅是項(xiàng)精巧的化學(xué)實(shí)驗(yàn)。鎳鐵電池的快速充電、長壽命與高功率輸出表明，其在太陽能電廠可能大顯身手：日間可輕松快速儲(chǔ)存多余電力，夜間再將電能輸送至電網(wǎng)。此外，它或可為能耗巨大的數(shù)據(jù)中心提供備用電源。

盡管愛迪生鎳鐵電池的重生之路尚處早期，相關(guān)科學(xué)與工藝已然就緒。更重要的是，它徹底擺脫了鋰離子電池對(duì)稀土金屬的依賴。

"我們只需混合常見原料，施以溫和加熱步驟，利用隨處可得的原材料即可。"埃爾-卡迪說道。

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