盖世汽车讯 早在1900年，美国道路上的电动汽车数量就已经超过了燃油汽车。当时，托马斯·爱迪生（Thomas Edison）发明的铅酸汽车电池价格昂贵，续航里程仅约30英里。为了改进这一现状，爱迪生坚信镍铁电池才是未来发展的方向，它有望实现100英里的续航里程、更长的使用寿命，并且充电时间仅需7小时——在当时来说，这已经算是非常快了。

图片来源：加利福尼亚大学洛杉矶分校

可惜，这个愿景最终未能实现。早期电动汽车电池仍然存在诸多严重缺陷，内燃机技术的进步最终占据了上风。

据外媒报道，由加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）牵头的一项国际研究合作项目借鉴了爱迪生的发明理念，开发出一种镍铁电池技术，该技术可能非常适合用于储存太阳能发电厂产生的能量。其原型电池的充电时间仅需数秒，而非数小时，并且实现了超过12000次的充放电循环——相当于如果每天都充电的话，电池可以用30年左右。

这项技术利用蛋白质图案化出的微小金属团簇，将其与一种仅由一个原子厚的薄片构成的二维材料结合而成。尽管采用了创新性的原料，但其技术却出人意料地简单且成本低廉。

该研究发表在《Small》期刊上。

该研究的合著者、加利福尼亚大学洛杉矶分校化学与生物化学系助理研究员Maher El-Kady表示：“人们通常认为现代纳米技术工具复杂且高科技，但我们的方法却出奇地简单直接。我们只是混合了一些常见的成分，采用了温和的加热步骤，并且使用了广泛可用的原材料。”

自然界为研究人员提供了一些线索，尤其是动物形成骨骼和贝类形成坚硬外壳的过程。无论骨骼位于体内还是体外，它们都是由蛋白质构成的，这些蛋白质充当支架，用于收集钙基化合物。研究人员试图模仿这种机制来生成所需的微小的镍或铁团簇。

该研究的共同通讯作者Ric Kaner说：“我们从大自然沉积这类物质的方式中获得了灵感。以恰当的方式沉积矿物质可以构建出既强壮又柔韧的骨骼，使其不易碎裂。沉积的方式几乎与所用材料同等重要，而蛋白质则引导着矿物质的排列方式。”

研究团队使用了牛肉生产的副产品蛋白质。这些分子作为模板，用于生长镍团簇（用于正极）和铁团簇（用于负极）。折叠蛋白质结构中的缝隙限制了金属团簇的尺寸，使其小于5纳米。如此之小，大约需要1万到2万个这样的金属团簇才能达到一根头发丝的宽度。研究人员甚至在电极中检测到了单个铁原子和镍原子。

这些蛋白质与氧化石墨烯结合，氧化石墨烯是一种超薄二维材料，呈单原子层厚的薄片状，由碳原子和氧原子构成。虽然氧原子可能会造成堵塞，使材料更像绝缘体，但接下来的工艺改变了一切。

将原料在水中过热，然后在高温下烘烤，使蛋白质炭化成碳，从而去除二维材料中的氧，并将微小的金属团簇在蛋白质的引导下嵌入其中。最终得到的结构是一种气凝胶，其体积几乎99%由空气构成。

这项技术的成功秘诀之一在于表面积——表面积越大，电池化学反应发生的空间就越大。

石墨烯气凝胶的超薄特性和大量的空隙提供了充足的空间。而金属纳米团簇的微小尺寸则利用了一个基本的数学原理：物体尺寸越小，其暴露的外表面积的增长速度会远大于体积的增长速度。

Maher El-Kady说：“随着颗粒尺寸从较大减小到这些极其微小的纳米团簇，表面积显著增加。这对电池来说是一个巨大的优势。当颗粒如此微小时，几乎每个原子都能参与反应。因此，充放电速度更快，可以储存更多电量，整个电池的效率也更高。”

尽管这项技术在充电速度和耐用性方面具有优势，但其存储容量仍无法与当今的锂离子电池相媲美。鉴于电动汽车市场对续航里程的极致追求，研究人员认为，这种受爱迪生启发而研发的未来电池或许有朝一日能在其他领域得到应用。例如，这项技术具有快速充电、高输出和持久耐用等优点，非常适合用于存储太阳能发电厂白天产生的多余电力，以便在夜间为电网供电。它也可能适用于数据中心的备用电源。

研究人员正在探索将他们的纳米团簇制备技术应用于其他金属。他们还在寻找牛源蛋白的替代品，例如储量更丰富、成本更低、更易于规模化生产的天然聚合物。