早在1900年，美國道路上的電動(dòng)汽車數(shù)量就已經(jīng)超過了燃油汽車。當(dāng)時(shí)，托馬斯·愛迪生（Thomas Edison）發(fā)明的鉛酸汽車電池價(jià)格昂貴，續(xù)航里程僅約30英里。為了改進(jìn)這一現(xiàn)狀，愛迪生堅(jiān)信鎳鐵電池才是未來發(fā)展的方向，它有望實(shí)現(xiàn)100英里的續(xù)航里程、更長的使用壽命，并且充電時(shí)間僅需7小時(shí)——在當(dāng)時(shí)來說，這已經(jīng)算是非常快了。

圖片來源：加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校

可惜，這個(gè)愿景最終未能實(shí)現(xiàn)。早期電動(dòng)汽車電池仍然存在諸多嚴(yán)重缺陷，內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的進(jìn)步最終占據(jù)了上風(fēng)。

據(jù)外媒報(bào)道，由加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）牽頭的一項(xiàng)國際研究合作項(xiàng)目借鑒了愛迪生的發(fā)明理念，開發(fā)出一種鎳鐵電池技術(shù)，該技術(shù)可能非常適合用于儲(chǔ)存太陽能發(fā)電廠產(chǎn)生的能量。其原型電池的充電時(shí)間僅需數(shù)秒，而非數(shù)小時(shí)，并且實(shí)現(xiàn)了超過12000次的充放電循環(huán)——相當(dāng)于如果每天都充電的話，電池可以用30年左右。

這項(xiàng)技術(shù)利用蛋白質(zhì)圖案化出的微小金屬團(tuán)簇，將其與一種僅由一個(gè)原子厚的薄片構(gòu)成的二維材料結(jié)合而成。盡管采用了創(chuàng)新性的原料，但其技術(shù)卻出人意料地簡單且成本低廉。

該研究發(fā)表在《Small》期刊上。

該研究的合著者、加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分?；瘜W(xué)與生物化學(xué)系助理研究員Maher El-Kady表示：“人們通常認(rèn)為現(xiàn)代納米技術(shù)工具復(fù)雜且高科技，但我們的方法卻出奇地簡單直接。我們只是混合了一些常見的成分，采用了溫和的加熱步驟，并且使用了廣泛可用的原材料?！?/p>

自然界為研究人員提供了一些線索，尤其是動(dòng)物形成骨骼和貝類形成堅(jiān)硬外殼的過程。無論骨骼位于體內(nèi)還是體外，它們都是由蛋白質(zhì)構(gòu)成的，這些蛋白質(zhì)充當(dāng)支架，用于收集鈣基化合物。研究人員試圖模仿這種機(jī)制來生成所需的微小的鎳或鐵團(tuán)簇。

該研究的共同通訊作者Ric Kaner說：“我們從大自然沉積這類物質(zhì)的方式中獲得了靈感。以恰當(dāng)?shù)姆绞匠练e礦物質(zhì)可以構(gòu)建出既強(qiáng)壯又柔韌的骨骼，使其不易碎裂。沉積的方式幾乎與所用材料同等重要，而蛋白質(zhì)則引導(dǎo)著礦物質(zhì)的排列方式?！?/p>

研究團(tuán)隊(duì)使用了牛肉生產(chǎn)的副產(chǎn)品蛋白質(zhì)。這些分子作為模板，用于生長鎳團(tuán)簇（用于正極）和鐵團(tuán)簇（用于負(fù)極）。折疊蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的縫隙限制了金屬團(tuán)簇的尺寸，使其小于5納米。如此之小，大約需要1萬到2萬個(gè)這樣的金屬團(tuán)簇才能達(dá)到一根頭發(fā)絲的寬度。研究人員甚至在電極中檢測到了單個(gè)鐵原子和鎳原子。

這些蛋白質(zhì)與氧化石墨烯結(jié)合，氧化石墨烯是一種超薄二維材料，呈單原子層厚的薄片狀，由碳原子和氧原子構(gòu)成。雖然氧原子可能會(huì)造成堵塞，使材料更像絕緣體，但接下來的工藝改變了一切。

將原料在水中過熱，然后在高溫下烘烤，使蛋白質(zhì)炭化成碳，從而去除二維材料中的氧，并將微小的金屬團(tuán)簇在蛋白質(zhì)的引導(dǎo)下嵌入其中。最終得到的結(jié)構(gòu)是一種氣凝膠，其體積幾乎99%由空氣構(gòu)成。

這項(xiàng)技術(shù)的成功秘訣之一在于表面積——表面積越大，電池化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的空間就越大。

石墨烯氣凝膠的超薄特性和大量的空隙提供了充足的空間。而金屬納米團(tuán)簇的微小尺寸則利用了一個(gè)基本的數(shù)學(xué)原理：物體尺寸越小，其暴露的外表面積的增長速度會(huì)遠(yuǎn)大于體積的增長速度。

Maher El-Kady說：“隨著顆粒尺寸從較大減小到這些極其微小的納米團(tuán)簇，表面積顯著增加。這對(duì)電池來說是一個(gè)巨大的優(yōu)勢。當(dāng)顆粒如此微小時(shí)，幾乎每個(gè)原子都能參與反應(yīng)。因此，充放電速度更快，可以儲(chǔ)存更多電量，整個(gè)電池的效率也更高?！?/p>

盡管這項(xiàng)技術(shù)在充電速度和耐用性方面具有優(yōu)勢，但其存儲(chǔ)容量仍無法與當(dāng)今的鋰離子電池相媲美。鑒于電動(dòng)汽車市場對(duì)續(xù)航里程的極致追求，研究人員認(rèn)為，這種受愛迪生啟發(fā)而研發(fā)的未來電池或許有朝一日能在其他領(lǐng)域得到應(yīng)用。例如，這項(xiàng)技術(shù)具有快速充電、高輸出和持久耐用等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于存儲(chǔ)太陽能發(fā)電廠白天產(chǎn)生的多余電力，以便在夜間為電網(wǎng)供電。它也可能適用于數(shù)據(jù)中心的備用電源。

研究人員正在探索將他們的納米團(tuán)簇制備技術(shù)應(yīng)用于其他金屬。他們還在尋找牛源蛋白的替代品，例如儲(chǔ)量更豐富、成本更低、更易于規(guī)?；a(chǎn)的天然聚合物。