如何使电池更强大，更便宜，更安全？

电动汽车，现代化的电网甚至智能手机都不过是没有储存能量的管道梦想。更具体地说，他们依靠电池，数百年前的技术被迫成熟得更快，以满足我们对便携式电源不断增长的需求。至少在技术方面，进步给电池研究人员带来了无数挑战。他们的设备必须更加努力地工作而不会产生更多的热量，并且不会显着提高他们所用技术的价格。例如，电动汽车零售价的一半左右就是电池，尽管随着越来越多的电动汽车出现这种情况，预计这种情况会有所下降。

美国能源部科学办公室痛苦地意识到这一点，于2009年创建了能源前沿研究中心（EFRC）计划，以鼓励研究人员重新思考我们如何生成，供应，传输，储存和使用能源。在六月能源部颁发100份亿$32个EFRCs，$10万美元，其中在石溪大学，纽约州立大学的材料科学家和化学工程师领导的是资金的复杂电池系统研究以斯帖竹内。Takeuchi是StonyBrook的一位杰出教授，拥有众多工程学奖项，因开发一种用于为植入式除颤器供电的改进电池而闻名。

Takeuchi的EFRC被称为中尺度输送特性中心（m2M），其目的是揭开锂离子电池内电荷移动和转移的神秘面纱。实验室所做的任何知识飞跃都将用于开发储存大量能量的电池，同时产生尽可能少的热量（pdf）。StonyBrook的m2M合作伙伴包括布鲁克海文国家实验室，哥伦比亚大学和加州大学伯克利分校。

科学美国人与Takeuchi谈到了她与能源部的新工作，她的团队努力在追求科学突破时彻底重新考虑电池和实验室多样性的价值。[编辑后的对话记录如下。]你为什么把研究重点放在电池上？今天最熟悉的高性能电池是便携式电子产品中蓬勃发展的锂离子电池，包括手机和笔记本电脑。当然，手机或笔记本电脑的电池不需要持续十年-谁能想象拥有一部已有10年历史的手机呢？将锂离子电池应用于电动汽车或智能电网这样大的电池，可以开发出持久耐用的电池-那些可以运行10年甚至20年的电池-非常重要。要以这种方式改进电池，您必须在系统级别真正理解内部发生的交互。

了解系统级电池意味着什么？我们使用非常强氧化剂的材料来制造阴极和材料是强还原剂以制造阳极。把这些材料放在电解液和某种膜中，然后理想情况下我们希望一切都只是坐在那里，直到我们要求它发电。但是发生了许多复杂的化学反应，特别是在一种固体接触另一种固体或固体接触液体电解质的界面处。可能会有很多化学反应，并且理解限制生命周期的现象类型-换句话说，它是错误的-是延长寿命的关键之一。您需要了解故障模式是什么才能解决它们。这是一种研究储能的新方法？在过去，电池的开发更多是通过优化而不是基本的洞察力。我今天的乐观态度是，有一些分析方法和技术可以通过探测活性电池内部正在进行的原位甚至是操作中的工作来提供前所未有的洞察力。突破性科学和真正见解的机会是我们开始能够设想的，这使得它非常令人兴奋。StonyBrook能源前沿研究中心的资源与其他研究储能的研究工作相比如何？EFRC很大，比典型的学术研究资助大10倍左右，资金为期四年。这绝对是能源部的旗舰计划。我们已经指定了StonyBrook的先进能源研究和技术中心作为EFRC的总部。还有多个合作伙伴和多个实验室参与其他地点。你希望在未来四年内完成什么？我们的目标当然是我们为理解这些能量存储系统中发生的现象的基础科学作出了重大贡献。我们最初的重点是锂电池。这将有助于我们构思和设计产生更少热量并做更多工作的新方法。研究人员使用哪种技术研究电池？MRI是一种工具。我正在使用来自同步加速器的非常高能量的X射线[一种粒子加速器]，它实际上可以穿透电池的钢壳-它的皮肤-并获得内部固体的衍射图案。通过这种方式，我们不仅可以探测反应产物，还可以获得足够的空间分辨率，以找出这些产品的形成位置。电极具有多个界面-一个朝向电解质，另一个界面朝向电流收集器。电解质在某种意义上是输送离子，集电器是电子来自或来自的地方，因此我们可以分辨出反应发生的位置。这[技术]告诉我们什么限制了反应。是电子访问吗？是离子通道吗？这是非常了不起的东西。任何在膝上使用笔记本电脑的人都会告诉你电池的热量可能是个问题。除了使笔记本电脑更不适合搭接外，热量如何影响电池本身？如果我们一般考虑电池或能源，有两个组成部分。一个是工作，在电池供电的情况下。第二是热量。电池可以提供的电量越多，产生的热量越少，电池的工作效率就越高。我们与能源部合作的新计划的整个研究前提是最大限度地减少电池产生的热量并最大化工作量，这样我们就可以全面提高电池的效率。

当电池变大时，问题变得更加严重，例如用于电动车辆或为电网供电的电池。有太多的热量，你必须开发出消除电池热量的方法，因为不仅热量会损坏电池，它还可能达到不安全的程度。然后，工程师必须开发使用液体或空气冷却电池的系统。处理废热是昂贵的并且增加了很多复杂性。还有其他能源储存技术可以作为电池的替代品吗？存储能量的方法有很多种，其中许多方法都非常依赖于应用程序。与其他能量储存方式相比，电池擅长直接接收和输送电力飞轮或压缩空气。通常会有某种转换，你需要将能量转化为电能。例如，通过电网或汽车，您可以直接使用电力并将其直接泵回电池，而无需经过另一个将蒸汽或运动转化为电能的步骤。电容器是另一种储能选择。通常，电池每质量或每体积具有更多的能量含量。电容器的优势在于它们可以非常快速地响应，可能比电池更快，但是时间要短得多。这是应用程序的权衡取舍。您是否需要一个非常快速的闪光功率，还是需要能够持续更长时间的东西？您的能源部项目是如何实现的，您的EFRC将如何运作？大约一年前，能源部发出呼吁，要求就该部门感兴趣的重大挑战和战略领域提出建议。我的理解是，他们收到了大约200多个提案，而我们的提案就是其中之一。这是该计划的第二轮。第一次是五年前开始的，有46个中心。第二轮更新了一半，资助了10个新中心，包括我们在石溪大学的资金。并非所有的EFRC都必须专门用于电池或化学能量存储。

新的EFRC如何与您和您的同事已经开展的研究相结合？该中心使我们能够涉及更广泛的专业领域。我们能够将更多不同背景的人聚集在一起，而这些人无法获得较小的资助。我们可以跨越专业领域开始工作，看看我们如何以更深刻的方式解决问题，因为我们现在已经有了多个观点来看待同样的问题。我们的目标是更多地了解电池的特定运输特性。我们正在考虑离子和电子的运动，这些都对电池的功能至关重要。我们专注于电池中使用的基本材料，但对我们来说至关重要的是离子和电子在电池内移动的所有接口。您对电池的研究可以追溯到您为植入式心脏除颤器开发电池的时间。在您的发明之前，这些设备是如何供电的？该设备已经被证明，但电池的寿命是一个真正的问题。它只持续了大约一年半。当需要更换电池时，您必须对患者进行手术。为了使该装置在临床上以广泛的方式使用，重要的是使用具有更长寿命的电池。因此，我工作的关键方面是开发一种体积小但比最初使用的电池寿命更长的电池。我认为我开发的银钒氧化物电池在许多方面使得除颤器的临床实施得以增长。电池的寿命取决于设备和患者，但其目标是持续约五年。由于您在植入式心脏除颤器电池和其他几种技术方面的工作，您持有许多美国为什么专利很重要？专利允许公司或发明人在一段时间内（通常约20年）实施他们的技术。这使他们有机会在竞争跳跃之前开发，实施和销售他们的发明。因此，它允许小发明者实际展示他们的概念，并且它允许任何发明，即使在大公司，也可以收回为开发技术而进行的投资。将其作为产品推出。在其他人也可以做之前，专利所有人也可以从发明中赚取一些钱。作为一名女工程师和科学家，您是否面临任何进入该领域的障碍或您的职业发展？我可以说的是，从我在职业生涯中所观察到的情况来看，越来越多的女性参与这一领域。如果有的话，多样性的挑战是人们来自不同的背景，如果你是女性，或者你来自不同的社会经济群体，你就会从不同的角度来处理问题。这可能具有挑战性，因为有时候视角不同的人会被视为-或者有时被视为好，他们只是没有得到它，或者他们不知道如何与他人合作。当你和那些不喜欢自己的人打交道时，会有一些刺痛，不适。

这是我们都需要注意的事情之一-如果某人从不同的角度来看待某事，那可能并不意味着他们错了或者他们不合作，这只意味着他们有不同的观点。而不同的观点往往会导致人们提出问题或解决可能无法解决的问题。如果每个人都以某种方式查看问题，您可能无法看到问题的所有维度。拥有多样性是一个真正的优势