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木虫 (职业作家)

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[交流] 新型泡沫电池有望实现快速充电和更大容量已有4人参与

尽管有数十亿美元的投资和几个备受瞩目的新创公司，但能源领域仍然面临着根本性的，看似不可解决的挑战：很难以结构紧凑、续航持久和低成本的方式储存大量电力。

越来越多的研究人员希望通过“三维电池（three-dimensional batteries）”解决这个问题。三维电池有几种形式，但往往都有多孔的海绵状结构，而传统的“二维”电池是一个盒状结构，里面有薄层金属浸在液体电解质溶液里。

在过去的几个月里，一家来自柯林斯堡（Fort Collins）科罗拉多州立大学（Colorado State University）的新创公司普列托电池（Prieto Battery）成功生产出公司创始人艾米·普列托（Amy Prieto）所说的“第一款真正的三维电池，可以充电和放电，并且容量更高”——换句话说，该电池满足了常规电池的基本要求。

与传统电池相比，三维电池制造成本更低、充电更快、更安全、体积更小、更环保。更重要的是，由于三维电池的轻便性、灵活性，并可制成各种形状，三维电池能提供的蓄能应用方式是以前无法想象的。

普列托的三维固态电池代表当今电池的两大根本出发点：制造材料和制造工艺。

在落基山脉（Rocky Mountain）山麓之下的普列托实验室，一列八台浅充水箱放置在一个凹陷台上，旁边是一个机架，放有密度不同的泡沫铜辊。泡沫是制造电池的原材料，其上由铜锑合金制成的阳极是经过电镀处理的。泡沫是多孔结构，孔内主要是空气，但一小块泡沫可以包含一个巨大的表面积。表面积增加，缩短了离子必须移动的距离，从而增加电能和能量密度。

一旦泡沫涂覆有阳极，就有了聚合物电解质夹层，为离子（但不是电子）移动提供了物理屏障。最后，阴极由一种漆黑浆料制成。最终产品是一个泡沫电池，几英寸宽，有一张纸那么厚。普列托电池密封在塑料薄膜里，可以快速充电，可存储的单位电能是常规电池的两倍，并且不会像锂离子电池一样有过热倾向。

采用多孔材料制造电池组件的的想法并不新鲜：例如，许多常规铅酸电池也采用铅泡沫制造阳极。用多孔内部结构制造完整电池的概念源于黛布拉·罗里森（Debra Rolison）。她是海军研究实验室（Naval Research Laboratory）的研究化学家，负责实验室的高级电化材料科。

罗里森于20世纪90年代早期开始研发制造燃料电池的新型催化剂材料，并于1998年提出将阴极材料插入碳气凝胶多孔材料可制成三维电池。当她第一次提出这个想法时，她说：“99％的人都认为我脑袋进水了。”但是，现在许多研究人员正在试验这个想法，其中一些人采用了新型材料，如波托贝洛蘑菇（portabella mushrooms）和木浆纤维（cellulose from wood pulp）。

哈佛大学研究员麦克斯·哈梅德（Max Hamedi）正在研究用木浆制成弹性泡沫电池。他说：“普列托等三维电池技术有超过二维系统构建的任何电池的潜力。这项工作才刚刚开始。”

普列托从一开始就设法简化，采用常见材料和低成本制造工艺，这样可以很容易实现规模化。该公司的第一个产品并不是一个完整电池，而是一个插入式泡沫铜替换型阳极，可以取代传统电池里的石墨阳极。

9月，普列托宣布与英特尔（Intel）建立合作关系，这使该公司可借鉴芯片制造商英特尔技术和制造集团的专业知识。普列托创始人说，公司第一款替换性阳极预计于2016年年末上市，完整电池可能会在2018年上市。

当然，还有其他企业在推动固态电池创新。Sakti3正在研发固态锂离子电池。该电池是常规系统的1/2到1/3大小，但蓄电能力与常规电池一样。

总部位于加州的新创公司Seeo专注研发带有锂金属阳极的固态电池。该公司最近被汽车行业的主要供应商之一博世（Bosch）收购。然而，这些公司都没有采用三维泡沫结构。

“我们看到普列托技术有潜力推动可穿戴设备的创新，其中具有高能量密度的固态电池会有引人注目的新用途，”英特尔内部企业孵化器总经理马克·蓬塔雷利（Mark Pontarelli）说，“采用泡沫铜制造的电池正好可以填补某项产品设计的空白，从而在不增加产品体积的前提下提高电池寿命。”

蓬塔雷利表示，三维电池最开始的应用范围可能较小，例如，可穿戴系统和消费电子产品，但没有任何明显理由限制泡沫电池应用到电动车，甚至是电网级别的蓄能系统上。

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