科學(xué)家通過研究極大地改善了托馬斯·愛迪生（Thomas Edison）鐵鎳電池的性能。正如愛迪生最初設(shè)想的那樣，增強(qiáng)型設(shè)備最終可用于電動(dòng)汽車。

為了證明愛迪生鐵鎳電池的可靠性，在1910年，駕駛員以1,000英里的耐力，駕駛由鐵鎳電池供電的百利車。

美國斯坦福大學(xué)的科學(xué)家為鐵鎳電池注入了新的生命，鐵鎳電池是托馬斯·愛迪生（Thomas Edison）在一個(gè)多世紀(jì)前開發(fā)的可充電技術(shù)。

愛迪生電池于1900年代初設(shè)計(jì)用于為電動(dòng)汽車提供動(dòng)力，在1970年代中期大受歡迎。如今，只有少數(shù)幾家公司生產(chǎn)鐵鎳電池，主要用于存儲(chǔ)太陽能電池板和風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的剩余電量。

化學(xué)教授戴宏杰（Hongjie Dai,）說：“愛迪生電池非常耐用，但是有很多缺點(diǎn)，典型的電池可能需要幾個(gè)小時(shí)才能充電，并且放電速度也非常慢。”

現(xiàn)在，戴教授和他的同事們大大提高了這項(xiàng)具有百年歷史的技術(shù)的性能。斯坦福大學(xué)的研究小組開發(fā)了一種超快鐵鎳電池，可以在大約2分鐘內(nèi)充滿電，并在不到30秒的時(shí)間內(nèi)放電。結(jié)果發(fā)表在6月26日的“自然通訊”雜志上。

該研究的主要作者王海亮說，該團(tuán)隊(duì)設(shè)法將充電和放電速率提高了近1000倍。

王海亮說：“我們的電池充電速度非常快?！?/p>

戴宏杰說，有一天，高性能、低成本的電池可以用來幫助電動(dòng)汽車，這就像愛迪生最初的意圖一樣。

他補(bǔ)充說：“希望我們能給鐵鎳電池帶來新的生命?！?/p>

電動(dòng)車

愛迪生是全電動(dòng)汽車的早期倡導(dǎo)者，他在1900年前后開始銷售鐵鎳電池。直到1920年左右，它一直在電動(dòng)汽車中使用。該電池的長壽命和可靠性使其成為鐵路，礦山和其他地方的流行備用電源。工業(yè)直到20世紀(jì)中葉。

愛迪生創(chuàng)造了鐵鎳電池，作為腐蝕性鉛酸電池的廉價(jià)替代品。其基本設(shè)計(jì)包括兩個(gè)電極-浸在堿性溶液中的鎳制陰極和鐵制陽極。

戴宏杰指出：“重要的是，鎳和鐵都是地球上的豐富元素，并且相對(duì)無毒。”

長期以來，碳一直被用來增強(qiáng)電極的導(dǎo)電性。為了提高愛迪生電池的性能，斯坦福大學(xué)的研究小組使用了石墨烯（納米碳薄片，厚度僅為1個(gè)原子）和多壁碳納米管，每個(gè)碳納米管由大約10個(gè)同心的石墨烯薄片卷在一起而成。

王海亮解釋說：“在常規(guī)電極中，人們將鐵和鎳材料與導(dǎo)電碳隨機(jī)混合。相反，我們將氧化鐵的納米晶體生長在石墨烯上，將氫氧化鎳的納米晶體生長在碳納米管上?！?/p>

這項(xiàng)技術(shù)在金屬顆粒和碳納米材料之間產(chǎn)生了牢固的化學(xué)鍵合，從而對(duì)性能產(chǎn)生了巨大影響。

戴宏杰說：“將鎳和鐵顆粒耦合到碳基質(zhì)上，可使電荷在電極和外部電路之間快速移動(dòng)。”“結(jié)果是鐵鎳電池的超快版本，能夠在幾秒鐘內(nèi)完成充電和放電?！?/p>

未來的應(yīng)用

戴宏杰教授的實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的1伏原型電池的電量足以操作手電筒。研究人員的目標(biāo)是制造更大的電池，以用于電網(wǎng)或運(yùn)輸。

日產(chǎn)Leaf和雪佛蘭Volt等大多數(shù)電動(dòng)汽車都使用鋰離子電池運(yùn)行，該電池可以存儲(chǔ)大量能量，但通常需要幾個(gè)小時(shí)才能充電。

王海亮說：“由于能量密度不夠理想，我們的電池可能無法自行為電動(dòng)汽車供電?！薄暗撬梢酝ㄟ^為鋰離子電池提供真正的動(dòng)力提升，從而加快加速和再生制動(dòng)，來輔助鋰離子電池?！?/span>

戴宏杰補(bǔ)充說，增強(qiáng)的愛迪生電池在緊急情況下可能特別有用。他說：“例如，可能有軍事用途，您必須非?？焖俚厥召M(fèi)?！?/p>

王海亮說：“它絕對(duì)是可擴(kuò)展的。鎳，鐵和碳相對(duì)便宜。電解質(zhì)只是帶有氫氧化鉀的水，也非常便宜和安全。它不會(huì)在汽車中炸毀。”

原型電池的一個(gè)主要缺點(diǎn)是-隨時(shí)間保持電荷的能力。戴宏杰說：“它沒有我們想要的充放電循環(huán)穩(wěn)定性。目前，它在800次循環(huán)中衰減了約20％。這與鋰離子電池差不多。但是我們的電池速度很快，因此我們會(huì)更頻繁地使用它。理想情況下，我們不希望它使用完全消失?！?/p>

戴認(rèn)為使用強(qiáng)耦合納米材料是制造電極的一種非常令人激動(dòng)的方法。這與傳統(tǒng)方法不同，在傳統(tǒng)方法中，您只是將材料混合在一起。我認(rèn)為托馬斯·愛迪生很高興看到這一進(jìn)展。

該研究的其他合著者是博士后學(xué)者梁永業(yè)和李艷光，研究生明功以及斯坦福大學(xué)的韋斯利·張和泰勒·梅福德。加拿大光源公司的周繼剛，王健和湯姆·雷吉爾；和清華大學(xué)的費(fèi)偉

這項(xiàng)工作得到了英特爾的支持，斯坦福大學(xué)普雷考特能源研究所的斯坦納特/里德獎(jiǎng)和斯坦福大學(xué)研究生獎(jiǎng)學(xué)金。

Mark Shwartz為斯坦福大學(xué)普雷考特能源研究所撰寫能源技術(shù)。

關(guān)于戴洪杰在斯坦福大學(xué)的研究實(shí)驗(yàn)室

戴洪杰教授的研究小組一直致力于化學(xué)，物理，材料和生物醫(yī)學(xué)科學(xué)之間的橋梁和接口，以開發(fā)具有在電子，能量存儲(chǔ)，納米醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有用的先進(jìn)納米材料。最近的發(fā)展包括在第二個(gè)近紅外窗口中對(duì)生物系統(tǒng)進(jìn)行熒光成像，超靈敏的診斷檢測(cè)，快速充電，廉價(jià)的鋁電池和可負(fù)擔(dān)的，能將水分解為氧氣和氫氣的節(jié)能型電催化劑。

戴宏杰在北京清華大學(xué)開始了物理學(xué)的正式研究，并在哥倫比亞大學(xué)開始了應(yīng)用科學(xué)的碩士學(xué)位。在哈佛大學(xué)獲得博士學(xué)位（1994年博士學(xué)位）和萊斯大學(xué)的博士后研究之后，他于1997年加入斯坦福大學(xué)，并于2007年被任命為JG Jackson和CJ Wood化學(xué)教授。在他對(duì)納米科學(xué)的貢獻(xiàn)中獲得的各種獎(jiǎng)項(xiàng)中，他獲得了美國化學(xué)學(xué)會(huì)的ACS純化學(xué)獎(jiǎng)，朱利葉斯·施普林格應(yīng)用物理學(xué)獎(jiǎng)，美國物理學(xué)會(huì)的APS詹姆斯·麥格羅迪新材料獎(jiǎng)以及材料研究學(xué)會(huì)的認(rèn)可。 MRS中級(jí)職業(yè)研究員獎(jiǎng)。他曾當(dāng)選為藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院，美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)，美國科學(xué)院和美國國家科學(xué)院。

戴宏杰實(shí)驗(yàn)室的研究工作是對(duì)碳基納米材料，等離激元材料，強(qiáng)耦合碳-無機(jī)雜化材料，新型電催化劑和電池材料的合成和基本理解，其應(yīng)用范圍包括納米電子學(xué)，納米生物技術(shù)，納米醫(yī)學(xué)，能量存儲(chǔ)和電催化。

新型納米材料的開發(fā)

戴宏杰實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)為碳納米管的生長提供了先進(jìn)且普及的化學(xué)氣相沉積技術(shù)，包括垂直排列的納米管以及硅晶片和其他基板上單壁碳納米管的首次圖案化生長，從而促進(jìn)了全球碳納米管固有物理特性的研究。Dai的研究小組還通過拉開碳納米管的拉鏈率先開發(fā)了石墨烯納米帶的合成方法。

戴宏杰小組一直在開發(fā)具有可控氧化度的碳納米管和石墨烯上的各種納米晶體和納米顆粒的合成，生產(chǎn)出一類強(qiáng)耦合的雜化材料，在無機(jī)顆粒和納米碳之間具有共價(jià)鍵合，具有先進(jìn)的電化學(xué)，電催化和催化性能。光催化。

戴宏杰小組一直在研究一種新型的納米結(jié)構(gòu)等離子金膜，該膜在大型基材上具有較高的均勻性，可通過近100倍的開放式，超靈敏的蛋白質(zhì)和抗體疾病生物標(biāo)志物生物學(xué)檢測(cè)方法對(duì)近紅外熒光進(jìn)行增強(qiáng)。 -紅外熒光。

納米物理與設(shè)備

戴宏杰的小組一直在研究納米碳物理和電子學(xué)。該小組合成的高質(zhì)量納米管被廣泛用于研究準(zhǔn)一維系統(tǒng)的固有電，機(jī)械，光學(xué)，機(jī)電和熱性能。Dai的小組演示了基于納米管的電子納米傳感器，開發(fā)了與納米管的Pd歐姆接觸，研究了在納米管中的彈道電子傳輸，并演示了集成了高kappa電介質(zhì)的彈道碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

納米醫(yī)學(xué)

戴宏杰的研究小組通過開發(fā)π-π堆疊非共價(jià)功能化化學(xué)，分子細(xì)胞遞送（藥物，蛋白質(zhì)和siRNA），體內(nèi)用納米碳進(jìn)行小鼠模型藥物遞送（用于癌癥治療）以及體內(nèi)研究，在碳納米管和納米石墨烯領(lǐng)域開展了生物學(xué)研究，利用近紅外光吸收對(duì)癌癥進(jìn)行光熱消融。所使用的納米碳材料廣泛包括碳納米管，納米石墨烯和石墨殼磁性核納米顆粒。通過與醫(yī)療小組的各種合作，Dai的小組使用納米管作為新型造影劑，利用拉曼，光聲和熒光模式開發(fā)了體內(nèi)外生物成像。

NIR-II熒光成像

戴宏杰的小組一直在使用簡(jiǎn)單的單光子技術(shù)在體內(nèi)進(jìn)行深層生物成像的NIR-II熒光成像方面開創(chuàng)先河。戴宏杰的實(shí)驗(yàn)室利用減少了在新近鑄造的NIR-II（1000-1700 nm）窗口中的光散射的物理原理，并利用了該范圍內(nèi)的納米管固有熒光來推動(dòng)組織穿透深度的極限，以進(jìn)行熒光成像，例如非侵入性小鼠中風(fēng)的全顱腦成像，以及小鼠腫瘤模型，后肢缺血和腦外傷的成像。開發(fā)了視頻速率（約30幀/秒）的NIR-II成像以實(shí)時(shí)測(cè)量單個(gè)血管中的血流，從而解決了與心動(dòng)周期有關(guān)的功能。Dai的小組開發(fā)了新穎的NIR-II熒光劑，包括碳納米管，量子點(diǎn)，共軛聚合物和有機(jī)染料，有可能取代ICG進(jìn)行臨床翻譯。零自發(fā)熒光生物成像是通過在?800nm處激發(fā)并在?1500 nm范圍內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)而實(shí)現(xiàn)的。

電催化和鋁離子電池

戴宏杰小組一直在開發(fā)納米碳-無機(jī)顆粒雜化材料，作為該小組的新方向，從而導(dǎo)致了能源研究的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。他的小組開發(fā)了用于氧還原的新型電催化劑和包括NiFe層狀雙氫氧化物的水分解催化劑，用于氧的釋放。最近，Dai的小組一直在開發(fā)具有石墨陰極的鋁離子電池，這代表了電池科學(xué)和技術(shù)的新領(lǐng)域。