圖注：斯坦福大學(xué)科學(xué)家開(kāi)發(fā)出一種超快愛(ài)迪生電池，他們?cè)谑┍∑吓嘤絹?lái)氧化鐵晶體，在碳納米管上培育氫氧化鎳晶體。 （信用：Hialiang王，美國(guó)斯坦福大學(xué)）
斯坦福大學(xué)的科學(xué)家們給鐵鎳電池（nickel-iron battery）注入了新的活力，這種可充電技術(shù)是托馬斯•愛(ài)迪生開(kāi)發(fā)的，已經(jīng)有一個(gè)多世紀(jì)的歷史。
愛(ài)迪生電池是在20世紀(jì)初設(shè)計(jì)的，用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，但很大程度上，到了20世紀(jì)70年代中期才受到青睞。今天，只有少數(shù)幾家公司生產(chǎn)鎳鐵電池，主要用于儲(chǔ)存太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的多余電力。
“這種愛(ài)迪生電池非常耐用，但它也有一些缺陷，” 斯坦福大學(xué)的化學(xué)教授戴宏杰（Hongjie Dai）說(shuō)。他說(shuō)：“典型的電池需要花幾個(gè)小時(shí)充電，而放電速度也很慢。”
現(xiàn)在，戴宏杰和他斯坦福大學(xué)的同事們極大地提高了這項(xiàng)百年老技術(shù)的性能。斯坦福大學(xué)的研究小組創(chuàng)造了一種超快鎳鐵電池，充滿電只需要大約2分鐘，放電不到30秒。這項(xiàng)研究結(jié)果發(fā)表在6月26日一期的《自然•通訊》（Nature Communications）雜志上。
“我們使充電和放電速度提高近1000倍，”斯坦福大學(xué)研究生王海量（Hailiang Wang）說(shuō)，他是這項(xiàng)研究的主要作者。“我們使它真的很快。”
戴宏杰說(shuō)，這種高性能，低成本的電池有朝一日會(huì)有助于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，就像愛(ài)迪生當(dāng)初設(shè)想的那樣。他補(bǔ)充說(shuō)：“很有希望，我們可賦予鎳鐵電池一種新生命。”
電動(dòng)汽車
愛(ài)迪生是全電動(dòng)汽車的早期倡導(dǎo)者，他在1900年左右開(kāi)始銷售鎳鐵電池。直到1920年前后，這種電池才用于電動(dòng)汽車。這種電池使用壽命長(zhǎng)，具有可靠性，這使它成為一種流行的備份電源，用于鐵路，礦山等行業(yè)，這是20世紀(jì)中葉以后的事。
愛(ài)迪生創(chuàng)造的這種鎳鐵電池，是一種廉價(jià)的替代品，可取代腐蝕性鉛酸蓄電池（lead-acid batteries）。它的基本設(shè)計(jì)包含兩個(gè)電極，陰極用鎳制成，陽(yáng)極用鐵制成，浸泡在堿性溶液中。“重要的是，鎳和鐵都是地球上豐富的元素，而且相對(duì)來(lái)說(shuō)是無(wú)毒的，”戴宏杰說(shuō)。
長(zhǎng)期以來(lái)，碳一直用于提高電極的導(dǎo)電性。為了提高愛(ài)迪生電池的性能，斯坦福大學(xué)的研究小組采用了石墨烯，也就是納米尺度的碳片，只有一個(gè)原子厚，他們也采用了多壁碳納米管，每根管包含大約10個(gè)同心圓石墨烯薄片，卷在一起。
“在傳統(tǒng)的電極中，人們隨機(jī)混合鐵鎳材料與導(dǎo)電性碳，”王海量解釋說(shuō)。“相反，我們從石墨烯上培育氧化鐵納米晶體，從碳納米管上培育氫氧化鎳納米晶體。”
這種技術(shù)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的化學(xué)鍵，就在這些金屬顆粒和碳納米材料之間，這會(huì)極大地影響性能。 “耦合鎳和鐵粒子到碳基，會(huì)使電極之間和電路之外的電荷快速移動(dòng)，”戴宏杰說(shuō)。“結(jié)果產(chǎn)生的是超快版本的鎳鐵電池，充電和放電只需幾秒鐘。”
未來(lái)的應(yīng)用
這種1伏原型電池是戴宏杰實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的，有足夠的電力，可驅(qū)動(dòng)手電筒。研究人員的目標(biāo)是制作更大的電池，用于電網(wǎng)或運(yùn)輸。
大多數(shù)電動(dòng)汽車，如日產(chǎn)Leaf和雪佛蘭福特（Chevy Volt），都是采用鋰離子電池運(yùn)行，可以存儲(chǔ)大量的能量，但通常需要幾個(gè)小時(shí)充電。“我們的電池自身不能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，因?yàn)槟芰棵芏炔焕硐耄?rdquo;他說(shuō)。“但它有助于鋰離子電池，可以給它們帶來(lái)真實(shí)的功率提升，進(jìn)行更快的加速和再生制動(dòng)。”
增強(qiáng)型愛(ài)迪生電池在緊急情況下特別有用，戴宏杰說(shuō)。“有可能進(jìn)行軍事應(yīng)用，例如，有些地方，你必須給某些東西迅速充電，”他說(shuō)。
“這絕對(duì)是可擴(kuò)展的，”王海量說(shuō)。“鎳，鐵和碳相對(duì)低廉，而電解液是水和氫氧化鉀，這也很便宜，很安全。它不會(huì)在車內(nèi)爆炸。”
這種原型電池有一個(gè)關(guān)鍵的缺點(diǎn)，就是長(zhǎng)時(shí)間蓄電的性能。“它不具備充放電循環(huán)穩(wěn)定性，這是我們需要的，”戴宏杰說(shuō)。“現(xiàn)在，超過(guò)800個(gè)周期后，就會(huì)衰減約20％。這大約相當(dāng)于鋰離子電池。但我們的電池非?？欤晕覀儠?huì)更經(jīng)常用它。理想的情況下，我們希望它完全不衰退。
“使用強(qiáng)耦合的納米材料代表著一種非常激動(dòng)人心的方法，可制造電極，”他說(shuō)。“這不同于傳統(tǒng)的方法，你只需要簡(jiǎn)單地混合材料。我認(rèn)為，托馬斯•愛(ài)迪生看到這一進(jìn)展會(huì)很高興。”
這項(xiàng)研究的其他合著者有博士后學(xué)者梁永業(yè)（Yongye Liang）和李焰光（Yanguang Li），研究生龔明（Ming Gong），大學(xué)生韋斯利•張（Wesley Chang）和泰勒•麥福德（Tyler Mefford），屬于斯坦福大學(xué)；還有周濟(jì)鋼（Jigang Zhou），王建（Jian Wang）和加拿大光源公司（Canadian Light Source, Inc.）的湯姆•萊吉爾（Tom Regier）；清華大學(xué)的魏飛（Fei Wei）。
這項(xiàng)研究獲得了英特爾公司的支持；有一項(xiàng)斯泰哈特/里德獎(jiǎng)（Stinehart/Reed Award）來(lái)自斯坦福大學(xué)的普雷科特能源研究所（Stinehart/Reed Award）；還有斯坦福大學(xué)的一項(xiàng)研究生獎(jiǎng)學(xué)金。
