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電池續(xù)航不給力？病毒來幫忙
閱讀：243 發(fā)布時間：2013-11-15鋰空氣電池（Lithium-air batteries）近幾年成為熱門研究領域：它們有望在每單位電池重量下大幅增加電力，而那會使，例如：智能手機待機時間更長、電動車的行駛距離更長。不過要使這個美夢成真將面臨諸多挑戰(zhàn)，包括需要為電池的電極開發(fā)更好、更耐用的電極，同時改善電池能夠承受的充、放電循環(huán)。
現(xiàn)在 MIT 的研究者發(fā)現(xiàn)，將經過基因改造、會產生納米線（nanowires，這種納米線的寬度約為一個紅血球，且能作為一種電池電極使用）的病毒，能幫助解決一些問題。
一篇發(fā)表在《Nature Communications》期刊中的論文敘述這項新研究，由 Dahyun Oh、Angela Belcher 與 Yang Shao-Horn 教授以及其他三位共同完成。其研究關鍵在于增加導線的表面面積，因而增加了電池在充、放電時，發(fā)生電化學活動的面積。
研究者們利用一種經過基因改造的病毒，稱為 M13，來制造一個納米線陣列，每個寬度約 80 nm。這種病毒能從水中捕捉金屬分子并將之結合成結構化的形狀。在此例中，氧化錳的納米線 -- 一種“受歡迎的”鋰空氣電池陰極材料，Belcher 表示 -- 實際上是由病毒所制造。但與透過傳統(tǒng)化學方法所“生長的”納米線不同，這些由病毒所建立的納米線具有粗糙、滿是尖刺的表面，那大幅增加其表面積。
Belcher（W.M. Keck 能源教授以及 MIT Koch 整合癌癥研究所的成員）解釋，這種生物合成的過程“真的與一個鮑魚（abalone）如何生長牠的殼十分相似” -- 此例中，是從海水中收集鈣并將之沉積在一固態(tài)的、相連的結構上。
Belcher 表示，利用此法增加表面積為鋰空氣電池的充、放電速度提供“很大的優(yōu)勢”。她表示，這種製程也有其他潛在優(yōu)勢：不像傳統(tǒng)的制造方法，那涉及能源密集的高溫與有害的化學物質，這種方法能在室溫下使用基于水的製程完成。而且，并非制造單一納米線，這種病毒天生就會產生一種三維的、交錯連結的線狀結構，那為電極提供更好的穩(wěn)定性。
此製程的zui終部份是添加少量金屬，例如：鈀（palladium），那能大幅增加納米線的導電性并允許它們在充、放電期間進行催化反應。其他小組曾嘗試利用純的或高度濃縮的金屬制造這樣的電池，不過這種新製程大幅降低所需要的昂貴材料數(shù)量。
總而言之，這些修改有潛力制造出能量密度（在一定重量下所能儲存的能量總量）比今日*的鋰離子電池（一種密切相關的技術，那是今日的*競爭者）還要大二到三倍的電池，研究者表示。
Belcher 強調，這是屬于初期階段的研究，需要進行更多研究，以制造出值得進行商業(yè)化生產的鋰空氣電池。這項研究只觀察一種元件的制造 -- 陰極；其他必要部份，包括電解質 -- 讓鋰離子從電池的一端電極穿越到另一端的離子導體 -- 需要更進一步的研究以找到可靠、耐用的材料。此外，雖然這種材料雖然成功經歷過 50 次的充電與放電，不過對于一個實用的電池而言，須能禁得起幾千次的循環(huán)。
雖然這些實驗使用病毒來進行分子組裝，不過 Belcher 表示，一旦這種電池的*材料被找到且經過測試，實際制造或許會以不同方式完成。這曾發(fā)生在她實驗室以前所開發(fā)的材料上，她說：這種化學物質zui初利用生物學方法來開發(fā)，但之后，另一種更容易擴大到工業(yè)等級生產的方法則會在實際制造過程中取而代之。
Jie Xiao，西北太平洋國家實驗室的研究科學家，她并未涉及此研究，稱此研究“在引導‘如何有效率地操縱（鋰空氣電池之催化反應）’的研究上，是一大貢獻”。她說這種“新穎的方法... 不僅為鋰空氣電池提供新的洞見，在此研究中所引介的樣板（template）也能很容易地為其他催化系統(tǒng)所採用”。
除了 Oh、Belcher 與 Shao-Horn 之外，這項研究的成員還包括 MIT 研究科學家 Jifa Qi 與 Yong Zhang 還有博士后 Yi-Chun Lu。這項研究由 U.S. Army Research Office 與 NSF 所支持。