微型电池的突破式革命追求

微型化在电池研发的方面是一件大事，人们一直在追求能够储存更多能量的电池，为汽车、建筑和个人电子设备供电。

直径只有人类头发八万分之一的纳米电池将带给人类光明的前景。它们将促进电动汽车和再生能源的发展。电动汽车一直苦于短暂的续航能力，而再生能源在无风和没有日照的时候，则需要存储的能量来维持运转。

而最新的突破：“纳米孔”则是微型化所达到的极致。它是一种陶瓷薄片上的孔洞，还没有一颗盐粒大。它包含了电池产生电流必须的所有组件。十亿个这样的孔洞，以蜂巢状排列在一起，和一张邮票差不多大。

这种极小的电池不负众望。据马里兰大学的研究者说，它充满电只要12分钟，可以反复充电上千次。上周他们把这项研究发表在同行评审期刊《自然纳米科技》上。

“我们被它的性能震惊了。”研究的合著者、化学博士研究生EleanorGillette表示。她把这种快速充电的能力归结为电流需要运动的距离很短。她认为纳米级电池能够使得制造商在有限的空间内集成进更多的电池。

阿贡国家实验室的联合能源存储研究中心主任GeorgeCrabtree说：“这看起来是一个重大进步。”他认为纳米孔技术带来了成倍的优势。因为纳米孔都是完全相同的，一旦研究者确定最佳尺寸，就可以保证稳定的结果，这将使大规模使用电网更有前途。

Crabtree表示，这类电池，就像最近在纳米技术方面的其他进展一样，在十年前还是完全不可能的事情。尽管过去15年来，这个领域已经已经有了很大进步，但直到最近才刚刚在电池蓄能上得到应用。这为电池世界的变革打开了一道门。

推动电池技术更好的发展

这项技术所蕴含的利益是巨大的。电动汽车和再生能源被誉为气候变化的解决之道。它们需要价格更便宜、性能更出色的电池，才能够获得广泛的应用。而公用事业也依赖于间歇性能源，风能和太阳能是其电力的主要来源，它们需要后备电力供应。

因此，这项科技竞赛在校园、创业公司积极展开，甚至连通用电气、IBM和丰田这样的巨头企业也参与进来。它们要制造一种电池，能够取得重大突破，而不是锂电池那样的渐进式提高。行业领袖在20世纪70年代就开发出了锂电池，并在20年后将其市场化。

部分研究者得到美国能源部提供的资金。他们努力开发和改进了几种通过化学反应产生电力的电池。大多数电池都有三个基本组成部分：电解液提供电子，阳极释放电子，而阴极接受电子。

根据纳米级的材料和结构，科学家试图在分子级层面上确认最佳的尺寸。

例如，去年南加利福尼亚大学研究者研发出一种新型锂离子电池，用多孔硅纳米颗粒取代了传统的石墨阳极。这个由周崇武（ChongwuZhou）带领的团队表示，比起石墨材质电池，他们的电池可以存储三倍多的电能，而且十分钟内就能完成充电。

马里兰大学纳米中心的管理者、工程学教授GaryRubloff表示：“纳米化是获得高能量之路。关于怎样制造电池，纳米级电池展示出了多种不同的替代方案。”

市场化的潜在挑战

然而，把这项研究商业化却不容易，也许需要很长时间。目前纳米级电池的很多材料或者组件都过于昂贵，只能作小型应用。

“对于这个领域来说，开发这类电池是一项重大挑战，而且存在很多问题，”来自伊利诺伊大学香槟分校的PaulBraun和RalphNuzzo在评价马里兰大学的研究成果时这样写道。

而且，石油和天然气的低价也消减了对可再生能源的需求，如风能和太阳能，它们都需要电网级的备用电源。

JamesTour说：“可再生能源现在很难和石油、天然气竞争。部分困难在于经济。”他是得克萨斯州休斯敦市莱斯大学的材料科学和纳米工程学的教授。他的研究团队创造了一种新的材料，由无数生长在石墨烯上的碳纳米管组成，能够大幅提高能源存储。

德克萨斯州的Xidex公司和以色列的石墨有限公司正基于莱斯大学的技术，开发一种新型电池。这种技术能在几分钟内给智能手机充满电。Tour说：“这种电池三年内就可以出现在市场上。”

斯坦福大学的教授崔屹（YiCui）认为，他的团队需要三到五年时间才能把一种新型电池市场化。团队成员包括美国前能源部长朱棣文（StevenChu）。他们的电池被吹捧为“纯锂电池”，在电解质和阳极里都用了锂，普通电池用的是石墨或硅。

崔屹的团队发现了一个常见问题的解决方案：当锂被放到阳极时，会比其他材料膨胀得更厉害，甚至会耗尽电解液。为了防止这一现象，他们做了“纳米微球”，即一种蜂窝状的微观层，可以产生一种灵活的无电抗性薄膜，把锂阻隔开来。

今年7月，朱棣文在一则声明中声称，他们团队的电池有潜力把手机电池的寿命延伸三倍，让电汽车行驶300英里。

崔屹在研究商业化方面有一定的经验。他创立了安普留斯公司，产品是一种新型长效锂离子电池。这是一家硅谷创业企业，朱棣文是董事会成员之一。

尽管最初的锂离子电池投入市场花了二十年，Crabtree认为，目前的关注点在能源存储--以及纳米科学的好处--他预测这个过程会用到五到十年时间。

“现在正是把握机会的时刻。人类有机会加速创新的步伐。”