關於支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮訂閱我們屢獲殊榮的新聞報道來支援我們 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保未來有關於塑造當今世界的發現和想法的影響力故事。
如果沒有儲能能力，電動汽車、現代化的電網甚至智慧手機都只不過是空想。更具體地說，它們依賴於電池，這是一種有數百年曆史的技術，為了滿足我們對行動式電源日益增長的需求，它被迫以更快的速度成熟。
至少就技術而言，進步給電池研究人員帶來了無數的挑戰。他們的裝置必須在不產生更多熱量的情況下更努力地工作，並且在不顯著推高其供電技術的價格的情況下這樣做。例如，電動汽車的零售價中大約一半是電池，儘管隨著更多汽車上路，這種情況預計會下降。
美國能源部科學辦公室深知這一點，於 2009 年建立了能源前沿研究中心 (EFRC) 專案，以鼓勵研究人員重新思考我們如何產生、供應、傳輸、儲存和利用能源。今年 6 月，能源部向 32 個 EFRC 撥款 1 億美元，其中 1000 萬美元用於石溪大學（紐約州立大學）由材料科學家和化學工程師埃絲特·竹內領導的複雜電池系統研究。竹內是石溪大學的傑出教授，擁有一長串工程榮譽，她最出名的是開發了一種用於為可植入式除顫器供電的改進型電池。
竹內的 EFRC 被稱為介觀傳輸特性中心 (m2M)，其目標是揭開電荷如何在鋰離子電池內部移動和傳輸的奧秘。實驗室取得的任何知識飛躍都將用於開發能夠儲存大量能量，同時儘可能少產生熱量的電池（pdf）。石溪大學的 m2M 合作伙伴包括布魯克海文國家實驗室、哥倫比亞大學和加州大學伯克利分校。
《大眾科學》採訪了竹內，討論了她與能源部的新工作、她的團隊為徹底重新思考電池所做的努力，以及在追求科學突破時實驗室多樣性的價值。
[以下是對話的編輯稿。]
為什麼您專注於電池研究？
當今最常見的高效能電池是在行動式電子產品（包括手機和筆記型電腦）中蓬勃發展的鋰離子電池。當然，手機或筆記型電腦的電池不需要持續十年——誰能想象擁有一個 10 年前的手機？將鋰離子電池應用於為電動汽車或像智慧電網這樣大的東西供電，使得開發持久耐用的電池（可以執行 10 年甚至 20 年的電池）變得非常重要。為了以這種方式改進電池，您必須真正從系統層面瞭解內部發生的相互作用。
從系統層面理解電池意味著什麼？
我們使用非常強的氧化劑來製造正極，並使用強還原劑來製造負極。將這些材料放入電解液和某種膜中，然後理想情況下，我們希望一切都只是放在那裡，直到我們要求它輸送電力。但是，會發生許多複雜的化學反應，尤其是在一種固體接觸另一種固體或固體接觸液體電解液的介面處。可能會發生很多化學反應，而瞭解限制壽命的現象型別（換句話說，什麼是出錯的）是延長壽命的關鍵之一。您需要了解失效模式才能解決這些問題。
這是一種研究儲能的新方法嗎？
過去，電池的開發更多地是透過最佳化而不是基本見解。我今天的樂觀情緒是，存在分析方法和技術，可以透過原位甚至在執行中探測活動電池內部的情況來提供前所未有的見解。突破性科學和真正見解的機會是我們開始能夠設想的，這令人非常興奮。
石溪大學能源前沿研究中心的資源與其他研究儲能的努力相比如何？
EFRC 規模龐大，大約是典型學術研究資助的 10 倍，並且資助為期四年。這絕對是能源部的一個旗艦專案。我們已將石溪大學先進能源研究與技術中心指定為 EFRC 的總部。還有多個合作伙伴和多個實驗室在其他地點參與。
您希望在未來四年內完成什麼？
我們的目標當然是，我們為理解這些儲能系統中發生的現象的基本科學做出重大貢獻。我們最初的重點是鋰基電池。這將幫助我們概念化和設計產生較少熱量並完成更多工作的新方法。
研究人員使用哪些技術來研究電池？核磁共振成像是一種工具。我正在使用來自同步加速器 [一種粒子加速器] 的高能 X 射線，它可以穿透電池的鋼罐——它的外殼——並獲得內部固體的衍射圖。這樣，我們不僅可以探測反應產物，還可以獲得足夠高的空間解析度來找出這些產物在哪裡形成。電極有幾個介面——一個面向電解液，另一個介面面向電流收集器。電解液在某種意義上輸送離子，電流收集器是電子進入或離開的地方，因此我們可以知道反應發生在何處。這種[技術]告訴我們是什麼限制了反應。是電子訪問嗎？是離子訪問嗎？這真是了不起的東西。
任何在膝上使用筆記型電腦的人都會告訴您電池熱量可能是一個問題。除了使筆記型電腦不太適合放在膝上之外，熱量如何影響電池本身？
如果我們考慮電池或一般能量，有兩個組成部分。一個是工作，在電池的背景下是輸送電力。第二個是熱量。電池在產生較少熱量的同時能夠輸送的電力越多，電池在完成其工作時就越有效。我們與能源部合作的新專案的整個研究前提是最大限度地減少電池產生的熱量，並最大限度地提高工作量，以便我們總體上提高電池的效率。
當電池變得很大時，例如用於電動汽車或為電網供電的電池時，問題會變得更加嚴重。熱量太多，您必須開發出從電池中去除熱量的方法，因為熱量不僅會損壞電池，還可能達到不安全的程度。然後，工程師必須開發使用液體或空氣冷卻電池的系統。處理廢熱既昂貴又增加了許多複雜性。
是否有其他可以替代電池的儲能技術？
有許多儲能方法，其中許多方法在很大程度上取決於應用。與飛輪或壓縮空氣等其他儲能方式相比，電池擅長直接接收和輸送電力。通常會有某種轉換，您必須將能量重新轉化為電力。例如，對於電網或汽車，您可以直接使用電力，並將其直接泵回電池，而無需經過另一個將蒸汽或運動轉化為電力的步驟。
電容器是另一種儲能選擇。通常，電池每單位質量或每單位體積的能量含量更高。電容器的優勢在於它們可以非常快速地響應，可能比電池更快，但持續時間短得多。這就是應用權衡。您只需要一個非常快速的電力閃光，還是需要持續較長時間的東西？
您與能源部的專案是如何產生的，您的 EFRC 將研究什麼？
大約一年前，能源部就與該部門的重大挑戰和戰略利益領域相關的想法發出了提案徵集。我的理解是，他們收到了 200 多份提案，我們的提案就是其中之一。這是該計劃的第二輪。第一輪於五年前開始，有 46 箇中心。一半在第二輪中續簽，並資助了 10 個新中心，包括我們在石溪大學的中心。並非所有 EFRC 都專門與電池或化學儲能有關。
新的 EFRC 如何與您和您的同事已經進行的研究相協調？
該中心使我們能夠引入更廣泛的專業知識。我們能夠彙集更多擁有不同背景的人，這是小型資助專案無法實現的。我們可以開始跨越專業知識的界限進行合作，探索如何以更深刻的方式解決問題，因為現在我們已經從多個角度審視同一個問題。我們的目標是更深入地瞭解電池中特定的傳輸特性。我們正在研究離子和電子的移動，這兩者對電池的功能至關重要。我們專注於電池中使用的基本材料，但同樣對我們至關重要的是離子和電子在電池內部移動的所有介面。
您對電池的研究可以追溯到您為植入式心臟除顫器開發電池的時候。在您發明之前，這些裝置是如何供電的？
該裝置當時已經被演示過了，但電池的壽命是一個真正的問題。它只能持續大約一年半。當需要更換電池時，必須對患者進行手術。
為了使該裝置能夠在臨床上廣泛使用，擁有更長壽命的電池至關重要。因此，我工作的關鍵實際上是開發一種體積小但壽命比他們最初使用的電池更長的電池。我認為在許多方面，我開發的銀釩氧化物電池推動了除顫器臨床應用的普及。電池的壽命因裝置和患者而異，但目標是使其持續大約五年。
感謝您在植入式心臟除顫器電池和其他幾項技術方面的工作，您擁有多項美國專利。為什麼專利如此重要？
專利允許公司或發明人在一段時間內（通常約為20年）實施他們的技術。這使得他們有機會在競爭對手加入之前開發、實施和銷售他們的發明。因此，它允許小型發明家實際展示他們的概念，並且允許任何發明，即使是在大型公司，也能收回用於開發該技術並將其作為產品推出的投資。專利所有者還可以在其他所有人也能這樣做之前從發明中獲得一些收益。
作為一名女性工程師和科學家，您在進入該領域或職業生涯發展過程中是否遇到過任何特殊的障礙？
我可以說的是，根據我在職業生涯中的觀察，越來越多的女性參與到這個領域。如果說多樣性方面存在什麼挑戰，那就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濟群體，你就會從不同的角度看待事物。這可能會帶來挑戰，因為有時持有不同觀點的人會被視為——或者有時可能被視為——嗯，他們只是不明白，或者他們不知道如何與他人相處。當你與和你不同的人打交道時，有時會有些不快、不適。
這是我們都需要注意的事情之一——如果有人從不同的角度看待某件事，這可能並不意味著他們錯了或不合作，這只是意味著他們有不同的觀點。不同的觀點往往可以引導人們提出問題或解決原本可能不會被處理的問題。如果每個人都以一種方式看待問題，您可能看不到問題的所有維度。擁有多樣性是一個真正的優勢。
編者注（2014年11月19日）：此問答在釋出後進行了編輯，刪除了兩處提及 Takeuchi 是擁有最多美國專利的女性的說法。美國專利商標局無法確認她擁有的美國專利比其他任何女性都多，正如本文最初聲稱的那樣。