托马斯·爱迪生失败的可充电电池或迎来第二春

这位著名发明家的镍铁构想虽不适用于电动汽车，却可为太阳能电厂和数据中心提供助力。

一种基于托马斯·爱迪生开创性技术的可充电电池，或许终将迎来它的高光时刻。尽管这位著名发明家在一个多世纪前曾设想用镍铁电池驱动汽车产业，如今研究人员却认为，这一基础理念更适合用于可再生能源中心。根据发表于《Small》期刊的研究，包括加州大学洛杉矶分校工程师在内的团队已开发出一款原型电池，该电池可在数秒内完成充电，并承受超过12000次充放电循环——相当于每日使用30余年的寿命。

可充电电力并非新鲜概念。截至1900年，美国道路上行驶的电动混合动力汽车实际上已超过燃油汽车。1901年，爱迪生为可工作的铅酸汽车电池申请专利并名声大噪，这项发明几乎引领整个20世纪走向截然不同的方向。遗憾的是，在爱迪生实现镍铁电池的迭代之前，其成本与30英里的续航里程最终不敌内燃机。

历经一个多世纪的创新以及化石燃料带来的毁灭性后果，如今可再生能源已根基稳固。尽管多数人对锂离子充电电池更为熟悉，爱迪生的镍铁理念并未完全消亡。加州大学洛杉矶分校的工程师承认，这项技术虽未必适用于交通领域，却在太阳能电厂等基础设施应用中展现出惊人潜力。

尽管该装置的根基依赖于纳米尺度的原子级键合，研究合著者、生物化学家马希尔·埃尔-卡迪表示，其原理相对易于理解。

"人们常将现代纳米技术工具视为复杂尖端科技，但我们的方法却出奇地简单直接。"他在近期加州大学洛杉矶分校的专访中说道。

埃尔-卡迪团队的灵感源自两大源泉：元素化学与骨骼解剖学。脊椎动物的骨骼与甲壳均通过特定蛋白质框架构筑含钙化合物。

"以正确方式沉积矿物质，能造就强韧且不易脆裂的骨骼。实现方式几乎与使用何种材料同等重要，而蛋白质则引导着矿物质的排列位置。"材料科学家、研究合著者里克·卡纳解释道。

埃尔-卡迪与卡纳设想：若用镍、铁替代钙元素，能否适配这一体系？他们转向牛肉加工的残余副产品，将其注入氧化石墨烯——一种单原子厚度的碳氧片层。最终，他们成功培育出折叠蛋白结构，其中充盈着带正电的镍原子与带负电的铁。这些簇团宽度不足五纳米，需一万至两万个簇团并置才能达到发丝直径。

氧化石墨烯中的氧原子通常起绝缘作用，这会阻碍电池效能。但团队自有对策：将产物置于超高温水中，高温将蛋白质碳化并消除所有氧气。与此同时，金属簇团进一步嵌入结构内部。最终形成的气凝胶按体积计近乎99%为空气。由此，表面积引发的惊人动力学效应开始显现。

"当我们将较大颗粒细化至这般极微纳米簇，表面积会急剧增长。这对电池而言是巨大优势。"埃尔-卡迪表示，"当颗粒微小至此，几乎每个原子都能参与反应。因此充放电速度大幅提升，储电能力增强，整块电池的工作效率也得以优化。"

目前埃尔-卡迪的镍铁气凝胶电池在储能容量上远不及锂离子电池，尚不适用于电动汽车。但这不意味着它仅是项精巧的化学实验。镍铁电池的快速充电、长寿命与高功率输出表明，其在太阳能电厂可能大显身手：日间可轻松快速储存多余电力，夜间再将电能输送至电网。此外，它或可为能耗巨大的数据中心提供备用电源。

尽管爱迪生镍铁电池的重生之路尚处早期，相关科学与工艺已然就绪。更重要的是，它彻底摆脱了锂离子电池对稀土金属的依赖。

"我们只需混合常见原料，施以温和加热步骤，利用随处可得的原材料即可。"埃尔-卡迪说道。

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