科學(xué)家們一直在尋找更加輕便高效的電池，如今已經(jīng)已經(jīng)取得重大進(jìn)展：他們制作出一種小電池，由十億個(gè)納米孔，或者說是能產(chǎn)生電流的微孔組成。

微型化在電池研發(fā)的方面是一件大事，人們一直在追求能夠儲(chǔ)存更多能量的電池，為汽車、建筑和個(gè)人電子設(shè)備供電。

直徑只有人類頭發(fā)八萬分之一的納米電池將帶給人類光明的前景。它們將促進(jìn)電動(dòng)汽車和再生能源的發(fā)展。電動(dòng)汽車一直苦于短暫的續(xù)航能力，而再生能源在無風(fēng)和沒有日照的時(shí)候，則需要存儲(chǔ)的能量來維持運(yùn)轉(zhuǎn)。

而最新的突破：“納米孔”則是微型化所達(dá)到的極致。它是一種陶瓷薄片上的孔洞，還沒有一顆鹽粒大。它包含了電池產(chǎn)生電流必須的所有組件。十億個(gè)這樣的孔洞，以蜂巢狀排列在一起，和一張郵票差不多大。

這種極小的電池不負(fù)眾望。據(jù)馬里蘭大學(xué)的研究者說，它充滿電只要12分鐘，可以反復(fù)充電上千次。上周他們把這項(xiàng)研究發(fā)表在同行評(píng)審期刊《自然納米科技》上。

“我們被它的性能震驚了。”研究的合著者、化學(xué)博士研究生EleanorGillette表示。她把這種快速充電的能力歸結(jié)為電流需要運(yùn)動(dòng)的距離很短。她認(rèn)為納米級(jí)電池能夠使得制造商在有限的空間內(nèi)集成進(jìn)更多的電池。

阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的聯(lián)合能源存儲(chǔ)研究中心主任GeorgeCrabtree說：“這看起來是一個(gè)重大進(jìn)步。”他認(rèn)為納米孔技術(shù)帶來了成倍的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)榧{米孔都是完全相同的，一旦研究者確定最佳尺寸，就可以保證穩(wěn)定的結(jié)果，這將使大規(guī)模使用電網(wǎng)更有前途。

Crabtree表示，這類電池，就像最近在納米技術(shù)方面的其他進(jìn)展一樣，在十年前還是完全不可能的事情。盡管過去15年來，這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)已經(jīng)有了很大進(jìn)步，但直到最近才剛剛在電池蓄能上得到應(yīng)用。這為電池世界的變革打開了一道門。

微型電池將帶來綠色能源革命這是顯微鏡中的畫面：幾百萬個(gè)納米孔擠在一個(gè)郵票大小的電池中。

推動(dòng)電池技術(shù)更好的發(fā)展

這項(xiàng)技術(shù)所蘊(yùn)含的利益是巨大的。電動(dòng)汽車和再生能源被譽(yù)為氣候變化的解決之道。它們需要價(jià)格更便宜、性能更出色的電池，才能夠獲得廣泛的應(yīng)用。而公用事業(yè)也依賴于間歇性能源，風(fēng)能和太陽能是其電力的主要來源，它們需要后備電力供應(yīng)。

因此，這項(xiàng)科技競賽在校園、創(chuàng)業(yè)公司積極展開，甚至連通用電氣、IBM和豐田這樣的巨頭企業(yè)也參與進(jìn)來。它們要制造一種電池，能夠取得重大突破，而不是鋰電池那樣的漸進(jìn)式提高。行業(yè)領(lǐng)袖在20世紀(jì)70年代就開發(fā)出了鋰電池，并在20年后將其市場化。

部分研究者得到美國能源部提供的資金。他們努力開發(fā)和改進(jìn)了幾種通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力的電池。大多數(shù)電池都有三個(gè)基本組成部分：電解液提供電子，陽極釋放電子，而陰極接受電子。

根據(jù)納米級(jí)的材料和結(jié)構(gòu)，科學(xué)家試圖在分子級(jí)層面上確認(rèn)最佳的尺寸。

例如，去年南加利福尼亞大學(xué)研究者研發(fā)出一種新型鋰離子電池，用多孔硅納米顆粒取代了傳統(tǒng)的石墨陽極。這個(gè)由周崇武（ChongwuZhou）帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)表示，比起石墨材質(zhì)電池，他們的電池可以存儲(chǔ)三倍多的電能，而且十分鐘內(nèi)就能完成充電。

馬里蘭大學(xué)納米中心的管理者、工程學(xué)教授GaryRubloff表示：“納米化是獲得高能量之路。關(guān)于怎樣制造電池，納米級(jí)電池展示出了多種不同的替代方案。”

市場化的潛在挑戰(zhàn)

然而，把這項(xiàng)研究商業(yè)化卻不容易，也許需要很長時(shí)間。目前納米級(jí)電池的很多材料或者組件都過于昂貴，只能作小型應(yīng)用。

“對(duì)于這個(gè)領(lǐng)域來說，開發(fā)這類電池是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，而且存在很多問題，”來自伊利諾伊大學(xué)香檳分校的PaulBraun和RalphNuzzo在評(píng)價(jià)馬里蘭大學(xué)的研究成果時(shí)這樣寫道。

而且，石油和天然氣的低價(jià)也消減了對(duì)可再生能源的需求，如風(fēng)能和太陽能，它們都需要電網(wǎng)級(jí)的備用電源。

JamesTour說：“可再生能源現(xiàn)在很難和石油、天然氣競爭。部分困難在于經(jīng)濟(jì)。”他是得克薩斯州休斯敦市萊斯大學(xué)的材料科學(xué)和納米工程學(xué)的教授。他的研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種新的材料，由無數(shù)生長在石墨烯上的碳納米管組成，能夠大幅提高能源存儲(chǔ)。

德克薩斯州的Xidex公司和以色列的石墨有限公司正基于萊斯大學(xué)的技術(shù)，開發(fā)一種新型電池。這種技術(shù)能在幾分鐘內(nèi)給智能手機(jī)充滿電。Tour說：“這種電池三年內(nèi)就可以出現(xiàn)在市場上。”

斯坦福大學(xué)的教授崔屹（YiCui）認(rèn)為，他的團(tuán)隊(duì)需要三到五年時(shí)間才能把一種新型電池市場化。團(tuán)隊(duì)成員包括美國前能源部長朱棣文（StevenChu）。他們的電池被吹捧為“純鋰電池”，在電解質(zhì)和陽極里都用了鋰，普通電池用的是石墨或硅。

崔屹的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)常見問題的解決方案：當(dāng)鋰被放到陽極時(shí)，會(huì)比其他材料膨脹得更厲害，甚至?xí)谋M電解液。為了防止這一現(xiàn)象，他們做了“納米微球”，即一種蜂窩狀的微觀層，可以產(chǎn)生一種靈活的無電抗性薄膜，把鋰阻隔開來。

今年7月，朱棣文在一則聲明中聲稱，他們團(tuán)隊(duì)的電池有潛力把手機(jī)電池的壽命延伸三倍，讓電汽車行駛300英里。

崔屹在研究商業(yè)化方面有一定的經(jīng)驗(yàn)。他創(chuàng)立了安普留斯公司，產(chǎn)品是一種新型長效鋰離子電池。這是一家硅谷創(chuàng)業(yè)企業(yè)，朱棣文是董事會(huì)成員之一。

盡管最初的鋰離子電池投入市場花了二十年，Crabtree認(rèn)為，目前的關(guān)注點(diǎn)在能源存儲(chǔ)——以及納米科學(xué)的好處——他預(yù)測這個(gè)過程會(huì)用到五到十年時(shí)間。

“現(xiàn)在正是把握機(jī)會(huì)的時(shí)刻。人類有機(jī)會(huì)加速創(chuàng)新的步伐。”