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刻。盡管這位著名發(fā)明家在一個多世紀前曾設(shè)想用鎳鐵電池驅(qū)動汽車產(chǎn)業(yè)，如今研究人員卻認為，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，包括加州大學洛杉磯分校工程師在內(nèi)的團隊已開發(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混合動力汽車實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專利并名聲大噪，這項發(fā)明幾乎引領(lǐng)整個20世紀走向截然不同的方向。遺憾的是，在愛迪生實現(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。

歷經(jīng)一個多世紀的創(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。加州大學洛杉磯分校的工程師承認，這項技術(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鍵合，研究合著者、生物化學家馬希爾·埃爾-卡迪表示，其原理相對易于理解。

"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單直接。"他在近期加州大學洛杉磯分校的專訪中說道。

埃爾-卡迪團隊的靈感源自兩大源泉：元素化學與骨骼解剖學。脊椎動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)，能造就強韌且不易脆裂的骨骼。實現(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電的鐵。這些簇團寬度不足五納米，需一萬至兩萬個簇團并置才能達到發(fā)絲直徑。

氧化石墨烯中的氧原子通常起絕緣作用，這會阻礙電池效能。但團隊自有對策：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，金屬簇團進一步嵌入結(jié)構(gòu)內(nèi)部。最終形成的氣凝膠按體積計近乎99%為空氣。由此，表面積引發(fā)的驚人動力學效應(yīng)開始顯現(xiàn)。

"當我們將較大顆粒細化至這般極微納米簇，表面積會急劇增長。這對電池而言是巨大優(yōu)勢。"埃爾-卡迪表示，"當顆粒微小至此，幾乎每個原子都能參與反應(yīng)。因此充放電速度大幅提升，儲電能力增強，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能容量上遠不及鋰離子電池，尚不適用于電動汽車。但這不意味著它僅是項精巧的化學實驗。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)科學與工藝已然就緒。更重要的是，它徹底擺脫了鋰離子電池對稀土金屬的依賴。

"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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