探访GE纳镍电池新工厂：高性能陶瓷之谜（图文）

为了制造新的钠镍电池，GE公司已在纽约的斯克内克塔迪（Schenectady）开设了一个大型工厂。这种电池能用于储存风力涡轮机生产的电能，为远程移动基站供电。这一组图便是电池制造过程中的一些关键步骤。

工厂60%的部分是用于制造一种电解质陶瓷。图中显示的是大袋封装的原料，它们将会被混合，进行化学改性，再经研磨、干燥，将粉末状的材料变成如同水一样易于流动的材料，并需要让其适于制作高性能陶瓷的特性保持不变。

陶瓷材料被压入磨具成型。图中后方可见操作这一过程的橙色机器人，它们正将压制好的材料从模具中移走。

陶瓷被打包，并保持形状固定，然后装上板车送往图正中所示的大窑进行烧制。

一名工人正在检查卸下的电解质陶瓷。

接下来准备组装成一个完整的电池。在这里，工人在刷导电的碳基涂料，然后将把导电金属装置与电极材料在电池封装之前都安放进去。

一个被拆卸开的电池。图片最前方的是电解质陶瓷，图中还可见电流收集用的金属及外壳。实际储存在电池中的是电极材料。

一名工人正将电池组插入封装外壳，电池中包含有用于控制电池的微处理器，以及让电池在其适应的约300℃工作的加热器。

在这里，电池进行隔热封装，使其保持在300摄氏度的工作温度，同时进行交付客户前的最后测试。

1、镉镍电池有什么特点？

镉镍电池的主要特点有：

（1）电解液只作为电流的传导体，浓度不起变化。

（2）电池的充放电程度不能根据电解液的密度变化来判断，而是在充电时以电压的变化来判断。

（3）在充放电过程中随着电化反应的加剧，在正极板上析出氧气，负极板上析出把氢气。

（4）密封式隔镍电池在制造时使负极板上物质过量，以避免氢气的析出，而在正极上产生的氧气因电化作用而被负极板吸收，防止了蓄电池内部气体聚集，保证了蓄电池在密封条件下正常工作。

2、新型铁镍电池充电只需要2分钟

斯坦福大学的科学家们给铁镍电池（nickel-iron battery）注入了新的活力，这种可充电技术是托马斯?爱迪生开发的，已经有一个多世纪的历史。

爱迪生电池是在20世纪初设计的，用于驱动电动汽车，但很大程度上，到了20世纪70年代中期才受到青睐。今天，只有少数几家公司生产镍铁电池，主要用于储存太阳能电池板和风力涡轮机产生的多余电力。

“这种爱迪生电池非常耐用，但它也有一些缺陷，” 斯坦福大学的化学教授戴宏杰（Hongjie Dai）说。他说：“典型的电池需要花几个小时充电，而放电速度也很慢。”

现在，戴宏杰和他斯坦福大学的同事们极大地提高了这项百年老技术的性能。斯坦福大学的研究小组创造了一种超快镍铁电池，充满电只需要大约2分钟，放电不到30秒。这项研究结果发表在6月26日一期的《自然?通讯》（Nature Communications）杂志上。

“我们使充电和放电速度提高近1000倍，”斯坦福大学研究生王海量（Hailiang Wang）说，他是这项研究的主要作者。“我们使它真的很快。”

戴宏杰说，这种高性能，低成本的电池有朝一日会有助于驱动电动汽车，就像爱迪生当初设想的那样。他补充说：“很有希望，我们可赋予镍铁电池一种新生命。”

电动汽车

爱迪生是全电动汽车的早期倡导者，他在1900年左右开始销售镍铁电池。直到1920年前后，这种电池才用于电动汽车。这种电池使用寿命长，具有可靠性，这使它成为一种流行的备份电源，用于铁路，矿山等行业，这是20世纪中叶以后的事。

爱迪生创造的这种镍铁电池，是一种廉价的替代品，可取代腐蚀性铅酸蓄电池（lead-acid batteries）。它的基本设计包含两个电极，阴极用镍制成，阳极用铁制成，浸泡在碱性溶液中。“重要的是，镍和铁都是地球上丰富的元素，而且相对来说是无毒的，”戴宏杰说。

长期以来，碳一直用于提高电极的导电性。为了提高爱迪生电池的性能，斯坦福大学的研究小组采用了石墨烯，也就是纳米尺度的碳片，只有一个原子厚，他们也采用了多壁碳纳米管，每根管包含大约10个同心圆石墨烯薄片，卷在一起。

“在传统的电极中，人们随机混合铁镍材料与导电性碳，”王海量解释说。“相反，我们从石墨烯上培育氧化铁纳米晶体，从碳纳米管上培育氢氧化镍纳米晶体。”

这种技术会产生强大的化学键，就在这些金属颗粒和碳纳米材料之间，这会极大地影响性能。 “耦合镍和铁粒子到碳基，会使电极之间和电路之外的电荷快速移动，”戴宏杰说。“结果产生的是超快版本的镍铁电池，充电和放电只需几秒钟。”

未来的应用

这种1伏原型电池是戴宏杰实验室开发的，有足够的电力，可驱动手电筒。研究人员的目标是制作更大的电池，用于电网或运输。

大多数电动汽车，如日产Leaf和雪佛兰福特（Chevy Volt），都是采用锂离子电池运行，可以存储大量的能量，但通常需要几个小时充电。“我们的电池自身不能驱动电动汽车，因为能量密度不理想，”他说。“但它有助于锂离子电池，可以给它们带来真实的功率提升，进行更快的加速和再生制动。”

增强型爱迪生电池在紧急情况下特别有用，戴宏杰说。“有可能进行军事应用，例如，有些地方，你必须给某些东西迅速充电，”他说。

“这绝对是可扩展的，”王海量说。“镍，铁和碳相对低廉，而电解液是水和氢氧化钾，这也很便宜，很安全。它不会在车内爆炸。”

这种原型电池有一个关键的缺点，就是长时间蓄电的性能。“它不具备充放电循环稳定性，这是我们需要的，”戴宏杰说。“现在，超过800个周期后，就会衰减约20％。这大约相当于锂离子电池。但我们的电池非常快，所以我们会更经常用它。理想的情况下，我们希望它完全不衰退。

“使用强耦合的纳米材料代表着一种非常激动人心的方法，可制造电极，”他说。“这不同于传统的方法，你只需要简单地混合材料。我认为，托马斯?爱迪生看到这一进展会很高兴。”

这项研究的其他合著者有博士后学者梁永业（Yongye Liang）和李焰光（Yanguang Li），研究生龚明（Ming Gong），大学生韦斯利?张（Wesley Chang）和泰勒?麦福德（Tyler Mefford），属于斯坦福大学；还有周济钢（Jigang Zhou），王建（Jian Wang）和加拿大光源公司（Canadian Light Source， Inc.）的汤姆?莱吉尔（Tom Regier）；清华大学的魏飞（Fei Wei）。

这项研究获得了英特尔公司的支持；有一项斯泰哈特/里德奖（Stinehart/Reed Award）来自斯坦福大学的普雷科特能源研究所（Stinehart/Reed Award）；还有斯坦福大学的一项研究生奖学金。