找到電動汽車瓶頸的解決辦法

材料牛注：電動汽車進入市場之后，暴露的缺點有行駛距離受限，電池低效等，甚至在極端情況下還會有起火的危險。俄亥俄州立大學的工程師受人體內活細胞膜轉運蛋白質方式的啟發，開發出了一種新的可快速充電的強大電池——“氧化還原晶體管電池”，從而控制電池內部電荷流動。

眾所周知，電動汽車進入市場之后，暴露的缺點有行駛距離受限，電池低效等，甚至在極端情況下還會有起火的危險。俄亥俄州立大學的工程師已經破解了這兩方面的難題，開發出了控制電池內部電荷流動的技術。

據俄亥俄州立大學機械航空工程的首席研究員和副教授Vishnu-Baba Sundaresan稱，這項技術受人體內活細胞膜轉運蛋白質方式的啟發，是改善大多數電動車充電速率的最好方法，速度可達每分鐘0.4英里。

Energy & Environmental Science期刊刊登了美國國家科學基金會資助的研究，其結果表明，該膜實現了一種新的可快速充電的強大電池，稱為“氧化還原晶體管電池”，汽車使用該電池充電一次即可行駛很遠的距離。

工程師通過對高配版混合動力汽車電池和電動汽車電池進行分析得出這樣的結論，汽車制造商已經達到了性能極限：最好的環保型汽車充電八個小時才可行駛約200英里的路程，而汽油動力汽車僅在加油站花一分鐘來加油就可行駛相同距離。

Sundaresan樂觀地認為，這種新技術將達到每分鐘數萬英里的電池充電性能。“這與汽油的等效測量相比仍然差一個數量級，但它是一個起點，”Sundaresan在新聞稿中說。

研究發現，如今在混合動力汽車和電動汽車的使用中，電池的問題是電荷存儲。Sundaresan說，“過去50多年來的研究一直專注于電池電極的化學改善，從而增加容量。 這一點我們已經做到了，但是電池容量的增大是以降低快速充放電電池的穩定性和成本為代價的。電動車的設計已足夠成熟，我們知道現在電動車的發展達到瓶頸，主要是受制于鋰離子電池的電化學性能。”

在“離子氧化還原晶體管”中，電荷或者說是能量存儲在液體電解質中，這樣電動汽車司機可以自行清空和補充，就像是一個以汽油為燃料的發動機的油箱。Sundaresan說，“對于日常交通，晚上將電解質插入電源插座或在停放在車庫中即可再生。 而對于長途旅行，你可以騰空所用電解液并補充新的以獲得長程行駛，和我們通常使用內燃機一樣。我們相信，這種靈活性對于斬斷我們對內燃機運輸的依賴具有極大的意義。

Sundaresan在研究中的博士生助手Travis Hey說，在今天的鋰離子電池中，隔膜可以進行充電，并使正負極分隔開來，但是由于正極和負極間電荷的泄露會導致逐漸容量的降低，這也稱為自放電現象。化學反應會產生熱并逐漸產生功耗。然而，在極端情況下，電池中的反應會導致過熱和起火——這稱為熱失控現象。

生命組織中，生物功能不同的細胞其細胞膜作用不同。同樣地，Sundaresan和Hery斷定在細胞壁開口可使分子的電荷擴張或收縮。在測試中，電池充電或放電時，導電聚合物收縮以打開孔。同樣地，電池不使用時，聚合物膨脹以關閉孔。工程師發現該膜確實控制著鋰離子電池，鈉離子電池和鉀離子電池的充電和放電。

在實驗中，研究人員將電池連接到LED燈，通過編程準確地控制孔的打開和關閉。結果表明，該膜不僅可使電池工作正常，而且在電池不使用時損失電荷為零。俄亥俄州有望將該技術進一步發展投入工業應用。

原文鏈接：OSU researchers gaining ground on electric cars' battery problem

文獻鏈接：Ionic redox transistor from pore-spanning PPy(DBS) membranes

本文由編輯部楊洪期提供素材，王冰編譯，點我加入材料人編輯部