圖注：斯坦福大學科學家開發(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）
斯坦福大學的科學家們給鐵鎳電池（nickel-iron battery）注入了新的活力，這種可充電技術是托馬斯•愛迪生開發(fā)的，已經有一個多世紀的歷史。
愛迪生電池是在20世紀初設計的，用于驅動電動汽車，但很大程度上，到了20世紀70年代中期才受到青睞。今天，只有少數幾家公司生產鎳鐵電池，主要用于儲存太陽能電池板和風力渦輪機產生的多余電力。
“這種愛迪生電池非常耐用，但它也有一些缺陷，” 斯坦福大學的化學教授戴宏杰（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。”
現在，戴宏杰和他斯坦福大學的同事們極大地提高了這項百年老技術的性能。斯坦福大學的研究小組創(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動電動汽車，就像愛迪生當初設想的那樣。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電性。為了提高愛迪生電池的性能，斯坦福大學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。
“在傳統的電極中，人們隨機混合鐵鎳材料與導電性碳，”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。”
這種技術會產生強大的化學鍵，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。“結果產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，可驅動手電筒。研究人員的目標是制作更大的電池，用于電網或運輸。
大多數電動汽車，如日產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。“有可能進行軍事應用，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。它不會在車內爆炸。”
這種原型電池有一個關鍵的缺點，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。“現在，超過800個周期后，就會衰減約20％。這大約相當于鋰離子電池。但我們的電池非?？欤晕覀儠洺Ｓ盟?。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。“這不同于傳統的方法，你只需要簡單地混合材料。我認為，托馬斯•愛迪生看到這一進展會很高興。”
這項研究的其他合著者有博士后學者梁永業(yè)（Yongye Liang）和李焰光（Yanguang Li），研究生龔明（Ming Gong），大學生韋斯利•張（Wesley Chang）和泰勒•麥福德（Tyler Mefford），屬于斯坦福大學；還有周濟鋼（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）來自斯坦福大學的普雷科特能源研究所（Stinehart/Reed Award）；還有斯坦福大學的一項研究生獎學金。
