托马斯·爱迪生失败的充电电池可能迎来第二次生命

美国 - 艾赫巴里通讯社

托马斯·爱迪生失败的充电电池可能迎来第二次生命

在一项可能重写电力存储历史篇章的开发中，加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）的研究人员团队成功开发出一种镍铁电池原型，该原型回溯了著名发明家托马斯·爱迪生奠定的开创性原则。尽管爱迪生在20世纪初对这项技术的设想是为电动汽车提供动力，但如今的研究人员认为，其基本概念更适合可再生能源存储应用，如太阳能和风能发电设施。

该研究最近发表在科学期刊《Small》上，详细介绍了一种创新的电池原型，它能在几秒钟内完成充电，并能承受超过12,000次的充放电循环。这种非凡的耐用性相当于大约30年的高强度日常使用，预示着这项重新构想的技术拥有异常长的使用寿命。这一突破反映了对如何利用纳米级化学原理实现卓越性能的更深层次理解。

在爱迪生时代，可充电电力这一概念并非完全新鲜。到1900年，美国道路上的电动混合动力汽车数量超过了汽油动力汽车。1901年，爱迪生为一款工作良好的铅酸汽车电池申请了专利，这几乎将20世纪引向了一条截然不同的道路。然而，爱迪生电池面临着重大挑战，包括高昂的成本和仅30英里的有限续航里程，最终在爱迪生未能完全实现他对成功的镍铁电池后继者的愿景之前，就被内燃机所取代。

如今，经过一个多世纪的持续创新，以及对化石燃料严重后果日益增长的认识，可再生能源已成为全球能源结构的中流砥柱。虽然大多数人现在都熟悉可充电锂离子电池，但爱迪生的镍铁概念并未完全消失。加州大学洛杉矶分校的工程师们承认，虽然这项技术可能不直接适用于交通运输领域，但它在太阳能发电场和大规模能源存储设施等能源基础设施中的应用前景广阔。

研究的合著者之一马赫尔·埃尔-卡迪博士解释说，尽管这项技术依赖于原子级键合和纳米级工程，但其基本原理却出奇地容易理解。他在最近的一次UCLA个人资料中说：“人们常常认为现代纳米技术工具复杂且高科技，但我们的方法却出奇地简单直接。”

埃尔-卡迪的团队从两个主要来源汲取灵感：基础化学和骨骼解剖学。例如，脊椎动物的骨骼和贝壳的形成，都涉及到利用特定的蛋白质作为构建钙基化合物的框架。“以正确的方式沉积矿物质，可以构建出坚固但足够柔韧不易碎的骨骼。其形成方式与所用材料几乎同等重要，而蛋白质则引导着它们的排列，”材料科学家、该研究的合著者里克·卡纳博士解释道。

埃尔-卡迪和卡纳探讨了通过用镍和铁代替钙来改造这种生物系统的可能性。对于蛋白质成分，他们利用了牛肉加工的副产品，并用氧化石墨烯（一种单原子厚的碳和氧薄片）浸渍它们。最终，他们成功培养出一种折叠的蛋白质结构，其中充满了带正电的镍原子和带负电的铁原子。这些结构宽度不到五纳米，需要10,000到20,000个簇才能达到人类头发的宽度。

氧化石墨烯中的氧原子通常充当绝缘体，这可能会阻碍电池的效率。然而，团队找到了解决方案。将他们的发明置于过热水浴中，高温将蛋白质转化为碳，同时消除了所有氧气。与此同时，这些金属簇进一步嵌入到结构中。结果是一种气凝胶，其体积中约99%是空气。从这一点开始，表面积的惊人动力学发挥作用。

埃尔-卡迪解释道：“当我们从较大的颗粒转向这些极小的纳米簇时，表面积会大大增加。这对电池来说是一个巨大的优势。”“当颗粒如此小时，几乎每一个原子都能参与反应。因此，充电和放电速度快得多，您可以存储更多电量，整个电池的效率也更高。”

虽然埃尔-卡迪的镍铁气凝胶电池目前的存储容量远不及锂离子电池，这使其不适合电动汽车，但这并不意味着它仅仅是一个有趣的化学实验。镍铁电池的快速充电、长寿命和高输出能力表明它可能在太阳能发电场中表现良好。该电池可以在白天轻松快速地存储多余的电力，然后在夜间将电力输送到电网。此外，它还可以为耗能巨大的数据中心提供备用电源。

尽管爱迪生镍铁电池的复兴仍处于早期阶段，但相关的科学知识和工程技术已经具备。更重要的是，它完全避开了锂离子电池对稀土金属的依赖。

埃尔-卡迪总结道：“我们只是混合常见的成分，采用温和的加热步骤，并使用广泛可用的原材料。”这些声明为能源存储的未来打开了大门，其中受过去启发的创新将在应对当前和未来挑战方面发挥关键作用。

艾赫巴里通讯社