圖注：斯坦福大學(xué)科學(xué)家開發(fā)出一種超快愛迪生電池，他們在石墨烯薄片上培育越來氧化鐵晶體，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•愛迪生開發(fā)的，已經(jīng)有一個多世紀(jì)的歷史。
愛迪生電池是在20世紀(jì)初設(shè)計的，用于驅(qū)動電動汽車，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，主要用于儲存太陽能電池板和風(fēng)力渦輪機產(chǎn)生的多余電力。
“這種愛迪生電池非常耐用，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。他說：“典型的電池需要花幾個小時充電，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，他是這項研究的主要作者。“我們使它真的很快。”
戴宏杰說，這種高性能，低成本的電池有朝一日會有助于驅(qū)動電動汽車，就像愛迪生當(dāng)初設(shè)想的那樣。他補充說：“很有希望，我們可賦予鎳鐵電池一種新生命。”
電動汽車
愛迪生是全電動汽車的早期倡導(dǎo)者，他在1900年左右開始銷售鎳鐵電池。直到1920年前后，這種電池才用于電動汽車。這種電池使用壽命長，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。
愛迪生創(chuàng)造的這種鎳鐵電池，是一種廉價的替代品，可取代腐蝕性鉛酸蓄電池（lead-acid batteries）。它的基本設(shè)計包含兩個電極，陰極用鎳制成，陽極用鐵制成，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，而且相對來說是無毒的，”戴宏杰說。
長期以來，碳一直用于提高電極的導(dǎo)電性。為了提高愛迪生電池的性能，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，只有一個原子厚，他們也采用了多壁碳納米管，每根管包含大約10個同心圓石墨烯薄片，卷在一起。
“在傳統(tǒng)的電極中，人們隨機混合鐵鎳材料與導(dǎo)電性碳，”王海量解釋說。“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)會產(chǎn)生強大的化學(xué)鍵，就在這些金屬顆粒和碳納米材料之間，這會極大地影響性能。 “耦合鎳和鐵粒子到碳基，會使電極之間和電路之外的電荷快速移動，”戴宏杰說。“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。”
未來的應(yīng)用
這種1伏原型電池是戴宏杰實驗室開發(fā)的，有足夠的電力，可驅(qū)動手電筒。研究人員的目標(biāo)是制作更大的電池，用于電網(wǎng)或運輸。
大多數(shù)電動汽車，如日產(chǎn)Leaf和雪佛蘭福特（Chevy Volt），都是采用鋰離子電池運行，可以存儲大量的能量，但通常需要幾個小時充電。“我們的電池自身不能驅(qū)動電動汽車，因為能量密度不理想，”他說。“但它有助于鋰離子電池，可以給它們帶來真實的功率提升，進(jìn)行更快的加速和再生制動。”
增強型愛迪生電池在緊急情況下特別有用，戴宏杰說。“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。
“這絕對是可擴展的，”王海量說。“鎳，鐵和碳相對低廉，而電解液是水和氫氧化鉀，這也很便宜，很安全。它不會在車內(nèi)爆炸。”
這種原型電池有一個關(guān)鍵的缺點，就是長時間蓄電的性能。“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。“現(xiàn)在，超過800個周期后，就會衰減約20％。這大約相當(dāng)于鋰離子電池。但我們的電池非常快，所以我們會更經(jīng)常用它。理想的情況下，我們希望它完全不衰退。
“使用強耦合的納米材料代表著一種非常激動人心的方法，可制造電極，”他說。“這不同于傳統(tǒng)的方法，你只需要簡單地混合材料。我認(rèn)為，托馬斯•愛迪生看到這一進(jìn)展會很高興。”
這項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）。
這項研究獲得了英特爾公司的支持；有一項斯泰哈特/里德獎（Stinehart/Reed Award）來自斯坦福大學(xué)的普雷科特能源研究所（Stinehart/Reed Award）；還有斯坦福大學(xué)的一項研究生獎學(xué)金。
