研究人員之所以會(huì)有這種設(shè)想，從根本上講是為了降低制造電池所需的材料成本，用來(lái)使可再生能源發(fā)電更穩(wěn)定地向電網(wǎng)供電。眾所周知，目前風(fēng)力渦輪機(jī)和太陽(yáng)能電池板的造價(jià)每年都處于持續(xù)下降的態(tài)勢(shì)，所以妨礙風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電的主要問(wèn)題并不是其生產(chǎn)成本，而在于它們無(wú)法持續(xù)發(fā)電。在大風(fēng)天氣和陽(yáng)光充沛的時(shí)段，它們可以向電網(wǎng)提供清潔并可循環(huán)利用的電能，然而到了無(wú)風(fēng)天氣和太陽(yáng)下山后，只有依靠可以儲(chǔ)存多余電能的電池才能保證它們并網(wǎng)發(fā)電的穩(wěn)定性。現(xiàn)在這樣做的成本非常高。
要想改變這種尷尬的狀況，只有制造出一種造價(jià)低廉的電池。而電池的原理其實(shí)很簡(jiǎn)單，電池可以定義為以化學(xué)形式儲(chǔ)存能量，并能在需要時(shí)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。與想象中不同，電池中儲(chǔ)存的并不是電能，而是化學(xué)能。電池的兩個(gè)電極中，一個(gè)允許電子逃逸，被稱為陽(yáng)極，另一個(gè)則接受電子，被稱為陰極。電池放電，就是陽(yáng)極放出電子，而陰極接受電子的過(guò)程，也就是陽(yáng)極和陰極通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。人們通常會(huì)在電子回歸之前利用它們做一些有用功。之后在給電池充電時(shí)也有很多方法，可以用來(lái)自太陽(yáng)能電池的電流將電子沿相反途徑送回，這也會(huì)把正離子帶回原處，即完成充電過(guò)程。
據(jù)了解，任何一種電池都必須由三部分所組成：陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì)。電解質(zhì)通常會(huì)用簡(jiǎn)單而又相對(duì)豐富的化學(xué)物質(zhì)制成。但是電極并非如此。它們通常要使用鉛、鋅、鎳或鋰這類金屬制造，這些金屬相對(duì)稀少，因此在制造可用于電網(wǎng)的電池時(shí)價(jià)格極為昂貴，無(wú)法普及。并且這些以金屬制成電極的電池在大功率放電時(shí)容易發(fā)熱甚至自燃，或者存在重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)。因此，找到造價(jià)低廉的電極將是向制造出實(shí)用性強(qiáng)的電網(wǎng)用電池所邁出的重大一步，而米爾查勒克與英伽納斯兩位研究人員希望他們可以在制造陰極方面邁出這一步。
良好的陰極材料必須能夠大量接受并儲(chǔ)存以正離子或電子形式存在的電荷。研究人員發(fā)現(xiàn)，一些植物和微生物在光合作用過(guò)程中，利用醌類化合物運(yùn)送帶正電的質(zhì)子和帶負(fù)電的電子。醌類化合物是在苯環(huán)或萘環(huán)上用偶數(shù)個(gè)氧原子取代氫原子獲得的產(chǎn)物，其中氧原子和碳原子形成的雙化學(xué)鍵可以方便地與其他物質(zhì)結(jié)合。在這一過(guò)程中形成的物質(zhì)可能會(huì)具有很高的電荷密度。
米爾查勒克與英伽納斯提出，在木頭的木質(zhì)素中含有大量的有機(jī)物質(zhì)苯酚，在進(jìn)行氧化后，這部分有機(jī)物極易轉(zhuǎn)變成與它結(jié)構(gòu)類似的另一種化學(xué)物質(zhì)醌類。雖然這樣得到的材料本身并不能作為電極，但與具有導(dǎo)電性和離子傳遞能力的物質(zhì)結(jié)合起來(lái)，就可以得到可用的電極材料。
在實(shí)驗(yàn)中，研究人員將醌類和另一種叫做聚吡咯的化學(xué)物質(zhì)相結(jié)合組成復(fù)合材料，制造出多層聚合物電極，可以為陰極提供所需要的電子與質(zhì)子的受體。在這種電極中，木質(zhì)素氧化物中的醌類負(fù)責(zé)儲(chǔ)存電荷，聚吡咯負(fù)責(zé)運(yùn)送電荷，其電荷密度可以達(dá)到每克70到90毫安時(shí)，相當(dāng)或略優(yōu)于目前使用的鋰離子電池水平。
木質(zhì)素在木頭中的含量?jī)H次于纖維素，可占到20%到28%，既不像金屬那樣需要擔(dān)心資源枯竭的問(wèn)題，也不是使用純物質(zhì)制造出來(lái)的。在造紙過(guò)程中所需要的是木頭的另外一種主要成分纖維素，木質(zhì)素幾乎完全以被稱為“黑液”或“棕液”的廢水形式丟棄，而這些廢水完全可以被用到木質(zhì)電池的制造中，幾乎不會(huì)產(chǎn)生原料成本，同時(shí)又解決了相當(dāng)一部分造紙行業(yè)的污染問(wèn)題。盡管聚吡咯的價(jià)格并不像木質(zhì)素的提取那樣便宜，但跟金屬相比成本已經(jīng)降低了很多。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以表明，木質(zhì)素和聚吡咯的聚合物的確是一種高效的陰極，可以儲(chǔ)存大量的電荷。而通過(guò)選擇不同的電解質(zhì)，以及針對(duì)木質(zhì)素的不同處理方法，有希望進(jìn)一步優(yōu)化這種陰極的性能。目前，木質(zhì)電池的研發(fā)還只處于初級(jí)階段，但如果可以找到造價(jià)同樣便宜的物質(zhì)來(lái)做陽(yáng)極，那么木質(zhì)電池的時(shí)代就將會(huì)到來(lái)。這同樣也將是無(wú)間歇的可再生電源時(shí)代。
