電動汽車，現(xiàn)代化的電網(wǎng)甚至智能手機都不過是沒有儲存能量的管道夢想。更具體地說，他們依靠電池，數(shù)百年前的技術(shù)被迫成熟得更快，以滿足我們對便攜式電源不斷增長的需求。至少在技術(shù)方面，進步給電池研究人員帶來了無數(shù)挑戰(zhàn)。他們的設(shè)備必須更加努力地工作而不會產(chǎn)生更多的熱量，并且不會顯著提高他們所用技術(shù)的價格。例如，電動汽車零售價的一半左右就是電池，盡管隨著越來越多的電動汽車出現(xiàn)這種情況，預(yù)計這種情況會有所下降。

美國能源部科學(xué)辦公室痛苦地意識到這一點，于2009年創(chuàng)建了能源前沿研究中心（EFRC）計劃，以鼓勵研究人員重新思考我們?nèi)绾紊桑?yīng)，傳輸，儲存和使用能源。在六月能源部頒發(fā)100份億$32個EFRCs，$10萬美元，其中在石溪大學(xué)，紐約州立大學(xué)的材料科學(xué)家和化學(xué)工程師領(lǐng)導(dǎo)的是資金的復(fù)雜電池系統(tǒng)研究以斯帖竹內(nèi)。Takeuchi是StonyBrook的一位杰出教授，擁有眾多工程學(xué)獎項，因開發(fā)一種用于為植入式除顫器供電的改進電池而聞名。

Takeuchi的EFRC被稱為中尺度輸送特性中心（m2M），其目的是揭開鋰離子電池內(nèi)電荷移動和轉(zhuǎn)移的神秘面紗。實驗室所做的任何知識飛躍都將用于開發(fā)儲存大量能量的電池，同時產(chǎn)生盡可能少的熱量（pdf）。StonyBrook的m2M合作伙伴包括布魯克海文國家實驗室，哥倫比亞大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校。

科學(xué)美國人與Takeuchi談到了她與能源部的新工作，她的團隊努力在追求科學(xué)突破時徹底重新考慮電池和實驗室多樣性的價值。[編輯后的對話記錄如下。]你為什么把研究重點放在電池上？今天最熟悉的高性能電池是便攜式電子產(chǎn)品中蓬勃發(fā)展的鋰離子電池，包括手機和筆記本電腦。當(dāng)然，手機或筆記本電腦的電池不需要持續(xù)十年-誰能想象擁有一部已有10年歷史的手機呢？將鋰離子電池應(yīng)用于電動汽車或智能電網(wǎng)這樣大的電池，可以開發(fā)出持久耐用的電池-那些可以運行10年甚至20年的電池-非常重要。要以這種方式改進電池，您必須在系統(tǒng)級別真正理解內(nèi)部發(fā)生的交互。

了解系統(tǒng)級電池意味著什么？我們使用非常強氧化劑的材料來制造陰極和材料是強還原劑以制造陽極。把這些材料放在電解液和某種膜中，然后理想情況下我們希望一切都只是坐在那里，直到我們要求它發(fā)電。但是發(fā)生了許多復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，特別是在一種固體接觸另一種固體或固體接觸液體電解質(zhì)的界面處。可能會有很多化學(xué)反應(yīng)，并且理解限制生命周期的現(xiàn)象類型-換句話說，它是錯誤的-是延長壽命的關(guān)鍵之一。您需要了解故障模式是什么才能解決它們。這是一種研究儲能的新方法？在過去，電池的開發(fā)更多是通過優(yōu)化而不是基本的洞察力。我今天的樂觀態(tài)度是，有一些分析方法和技術(shù)可以通過探測活性電池內(nèi)部正在進行的原位甚至是操作中的工作來提供前所未有的洞察力。突破性科學(xué)和真正見解的機會是我們開始能夠設(shè)想的，這使得它非常令人興奮。StonyBrook能源前沿研究中心的資源與其他研究儲能的研究工作相比如何？EFRC很大，比典型的學(xué)術(shù)研究資助大10倍左右，資金為期四年。這絕對是能源部的旗艦計劃。我們已經(jīng)指定了StonyBrook的先進能源研究和技術(shù)中心作為EFRC的總部。還有多個合作伙伴和多個實驗室參與其他地點。你希望在未來四年內(nèi)完成什么？我們的目標(biāo)當(dāng)然是我們?yōu)槔斫膺@些能量存儲系統(tǒng)中發(fā)生的現(xiàn)象的基礎(chǔ)科學(xué)作出了重大貢獻。我們最初的重點是鋰電池。這將有助于我們構(gòu)思和設(shè)計產(chǎn)生更少熱量并做更多工作的新方法。研究人員使用哪種技術(shù)研究電池？MRI是一種工具。我正在使用來自同步加速器的非常高能量的X射線[一種粒子加速器]，它實際上可以穿透電池的鋼殼-它的皮膚-并獲得內(nèi)部固體的衍射圖案。通過這種方式，我們不僅可以探測反應(yīng)產(chǎn)物，還可以獲得足夠的空間分辨率，以找出這些產(chǎn)品的形成位置。電極具有多個界面-一個朝向電解質(zhì)，另一個界面朝向電流收集器。電解質(zhì)在某種意義上是輸送離子，集電器是電子來自或來自的地方，因此我們可以分辨出反應(yīng)發(fā)生的位置。這[技術(shù)]告訴我們什么限制了反應(yīng)。是電子訪問嗎？是離子通道嗎？這是非常了不起的東西。任何在膝上使用筆記本電腦的人都會告訴你電池的熱量可能是個問題。除了使筆記本電腦更不適合搭接外，熱量如何影響電池本身？如果我們一般考慮電池或能源，有兩個組成部分。一個是工作，在電池供電的情況下。第二是熱量。電池可以提供的電量越多，產(chǎn)生的熱量越少，電池的工作效率就越高。我們與能源部合作的新計劃的整個研究前提是最大限度地減少電池產(chǎn)生的熱量并最大化工作量，這樣我們就可以全面提高電池的效率。

當(dāng)電池變大時，問題變得更加嚴(yán)重，例如用于電動車輛或為電網(wǎng)供電的電池。有太多的熱量，你必須開發(fā)出消除電池?zé)崃康姆椒ǎ驗椴粌H熱量會損壞電池，它還可能達到不安全的程度。然后，工程師必須開發(fā)使用液體或空氣冷卻電池的系統(tǒng)。處理廢熱是昂貴的并且增加了很多復(fù)雜性。還有其他能源儲存技術(shù)可以作為電池的替代品嗎？存儲能量的方法有很多種，其中許多方法都非常依賴于應(yīng)用程序。與其他能量儲存方式相比，電池擅長直接接收和輸送電力飛輪或壓縮空氣。通常會有某種轉(zhuǎn)換，你需要將能量轉(zhuǎn)化為電能。例如，通過電網(wǎng)或汽車，您可以直接使用電力并將其直接泵回電池，而無需經(jīng)過另一個將蒸汽或運動轉(zhuǎn)化為電能的步驟。電容器是另一種儲能選擇。通常，電池每質(zhì)量或每體積具有更多的能量含量。電容器的優(yōu)勢在于它們可以非常快速地響應(yīng)，可能比電池更快，但是時間要短得多。這是應(yīng)用程序的權(quán)衡取舍。您是否需要一個非常快速的閃光功率，還是需要能夠持續(xù)更長時間的東西？您的能源部項目是如何實現(xiàn)的，您的EFRC將如何運作？大約一年前，能源部發(fā)出呼吁，要求就該部門感興趣的重大挑戰(zhàn)和戰(zhàn)略領(lǐng)域提出建議。我的理解是，他們收到了大約200多個提案，而我們的提案就是其中之一。這是該計劃的第二輪。第一次是五年前開始的，有46個中心。第二輪更新了一半，資助了10個新中心，包括我們在石溪大學(xué)的資金。并非所有的EFRC都必須專門用于電池或化學(xué)能量存儲。

新的EFRC如何與您和您的同事已經(jīng)開展的研究相結(jié)合？該中心使我們能夠涉及更廣泛的專業(yè)領(lǐng)域。我們能夠?qū)⒏嗖煌尘暗娜司奂谝黄穑@些人無法獲得較小的資助。我們可以跨越專業(yè)領(lǐng)域開始工作，看看我們?nèi)绾我愿羁痰姆绞浇鉀Q問題，因為我們現(xiàn)在已經(jīng)有了多個觀點來看待同樣的問題。我們的目標(biāo)是更多地了解電池的特定運輸特性。我們正在考慮離子和電子的運動，這些都對電池的功能至關(guān)重要。我們專注于電池中使用的基本材料，但對我們來說至關(guān)重要的是離子和電子在電池內(nèi)移動的所有接口。您對電池的研究可以追溯到您為植入式心臟除顫器開發(fā)電池的時間。在您的發(fā)明之前，這些設(shè)備是如何供電的？該設(shè)備已經(jīng)被證明，但電池的壽命是一個真正的問題。它只持續(xù)了大約一年半。當(dāng)需要更換電池時，您必須對患者進行手術(shù)。為了使該裝置在臨床上以廣泛的方式使用，重要的是使用具有更長壽命的電池。因此，我工作的關(guān)鍵方面是開發(fā)一種體積小但比最初使用的電池壽命更長的電池。我認為我開發(fā)的銀釩氧化物電池在許多方面使得除顫器的臨床實施得以增長。電池的壽命取決于設(shè)備和患者，但其目標(biāo)是持續(xù)約五年。由于您在植入式心臟除顫器電池和其他幾種技術(shù)方面的工作，您持有許多美國為什么專利很重要？專利允許公司或發(fā)明人在一段時間內(nèi)（通常約20年）實施他們的技術(shù)。這使他們有機會在競爭跳躍之前開發(fā)，實施和銷售他們的發(fā)明。因此，它允許小發(fā)明者實際展示他們的概念，并且它允許任何發(fā)明，即使在大公司，也可以收回為開發(fā)技術(shù)而進行的投資。將其作為產(chǎn)品推出。在其他人也可以做之前，專利所有人也可以從發(fā)明中賺取一些錢。作為一名女工程師和科學(xué)家，您是否面臨任何進入該領(lǐng)域的障礙或您的職業(yè)發(fā)展？我可以說的是，從我在職業(yè)生涯中所觀察到的情況來看，越來越多的女性參與這一領(lǐng)域。如果有的話，多樣性的挑戰(zhàn)是人們來自不同的背景，如果你是女性，或者你來自不同的社會經(jīng)濟群體，你就會從不同的角度來處理問題。這可能具有挑戰(zhàn)性，因為有時候視角不同的人會被視為-或者有時被視為好，他們只是沒有得到它，或者他們不知道如何與他人合作。當(dāng)你和那些不喜歡自己的人打交道時，會有一些刺痛，不適。

這是我們都需要注意的事情之一-如果某人從不同的角度來看待某事，那可能并不意味著他們錯了或者他們不合作，這只意味著他們有不同的觀點。而不同的觀點往往會導(dǎo)致人們提出問題或解決可能無法解決的問題。如果每個人都以某種方式查看問題，您可能無法看到問題的所有維度。擁有多樣性是一個真正的優(yōu)勢