科學家重啟遺忘電池，幾秒完成充電，充放電超1.2萬次，未來有望取代鋰離子電池

據美媒3月10日報道， 1901年，托馬斯·愛迪生為鎳鐵電池申請了專利，但該電池起初并未流行起來。近期，一個國際研究團隊運用現代納米技術對愛迪生的發明進行了革新，提升了電池的充電速度和性能。這種電池能在幾秒內完成充電，且充放電循環次數高達12000次，相較于鋰離子電池，它是一種極具潛力的儲能選擇。

科學界一些絕佳的創意往往源自過去。哥白尼革命核心的日心說，早在約1800年前就已存在于希臘天文學家阿里斯塔克斯的腦海之中。第一臺蒸汽渦輪并非誕生于19世紀的倫敦，而是1世紀的亞歷山大港。路易·巴斯德于1857年發表的細菌學說，與三世紀前意大利醫生吉羅拉莫·弗拉卡斯托羅的諸多觀點驚人地相似。一次又一次，過往的舊觀念借助現代洞察得以重塑，進而轉化為未來技術。

電池領域亦是如此。20世紀初，公路上電動汽車的數量多于燃油汽車。到了21世紀，舊事物重煥生機，科學家們紛紛探尋提升電池性能的方法。如今，托馬斯·愛迪生于1901年申請專利的一款早期電池設計——鎳鐵電池，正受到密切關注。一個國際科學家團隊正在研發一種新型鎳鐵電池，它能在幾秒內完成充電，且充放電循環次數驚人地達到12000次。這項下一代愛迪生理念的細節去年發表在《小》雜志上。

20世紀初，愛迪生期望找到一種比鉛酸電池更可靠、更廉價的替代品。他還希望這種電池能讓早期電動汽車（如底特律電動汽車）的續航里程突破三位數。然而，這一想法并未流行起來，因為內燃機很快在汽車競爭中占據主導地位。不過，在此次研究中，研究人員借助納米技術的現代突破，探索如何充分發揮這款被遺忘已久的愛迪生電池的潛力。

“人們常常覺得現代納米技術工具復雜且高科技，但我們的方法卻出奇地簡單直接。”加州大學洛杉磯分校研究員、該研究合著者馬希爾·埃爾 - 卡迪博士在新聞聲明中表示，“我們只是混合常見成分，進行溫和加熱步驟，并使用廣泛可得的原材料。”

這款新電池的靈感并非僅來自愛迪生，研究人員還從自然界汲取了創意。具體而言，他們研究了特殊蛋白質如何幫助動物（包括人類）通過生成鈣基化合物簇來構建骨骼。他們想確定能否借鑒這一過程，生成微小的鎳和鐵簇，從而大幅增加化學反應的表面積，提升電池的充電速度和性能。

為實現這一目標，埃爾 - 卡迪及其團隊將源自牛的蛋白質與氧化石墨烯（一種超薄的二維薄片）相結合，然后進行超高溫加熱。這一過程使蛋白質碳化，去除氧氣，同時嵌入微小的金屬簇，其中大多數寬度僅為5納米（有些甚至僅為單個原子）。最終，電池形成氣凝膠，這意味著其體積的99%為空氣。

“當我們從較大的顆粒縮小到這些極小的納米簇時，表面積會大幅增加。”埃爾 - 卡迪在新聞聲明中表示，“這對電池而言是巨大優勢。當顆粒如此微小時，幾乎每個原子都能參與反應。因此，充電和放電速度更快，能儲存更多電荷，整個電池的工作效率也更高。”

愛迪生最初的夢想是打造一款能提升電動汽車可靠性和效率的電池。這款借助現代納米技術打造的21世紀電池確實具備這些特性，但在整體儲能容量上，它仍無法超越現代電動汽車通常使用的鋰離子電池單元。然而，如今人類的能源需求遠不止于交通工具。這些鎳鐵電池在幫助太陽能農場儲存夜間發電所需的過剩能源，或為能源需求巨大的數據中心提供備用電源方面，可能大有可為。

隨著更多綠色能源的出現，企業正認真研究儲存過剩能源的其他方法。鋰離子電池適合短期儲能（約四小時），但該技術存在功率衰減和安全問題（畢竟航空公司不喜歡將鋰離子電池放在托運行李中）。如今，鋰離子儲能的主要替代品之一是鐵空氣電池，它利用“可逆生銹”的原理儲存能量，但通常充放電速度緩慢，且能源效率較低。如果制造商能夠大規模生產，這款新型鎳鐵電池突破可能成為極具吸引力的競爭對手。為此，埃爾 - 卡迪的團隊目前正專注于改進納米簇的制造工藝，并嘗試使用比牛蛋白質更易獲取的其他材料，如天然聚合物。

或許有一天，愛迪生夢想中的電池終將成為現實，只是實現方式可能并非他所預期。

（原文標題：Scientists Rebooted This Forgotten Battery—And It Recharges in Seconds. This Could Be the Future of Energy.）