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奧巴馬總統在他的國情諮文中描繪了未來就業的願景——然後指向了今天的科學家。
奧巴馬承認：“我們誰也不能確定下一個大產業會是什麼，或者新的就業機會將來自哪裡。” 但他表示，從歷史上看，政府一直資助私營部門不願資助的基礎研究。幾十年後，這些早期的實驗室探索催生了整個產業，例如圍繞網際網路和全球定位系統建立的產業。
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他說：“試想一下，從製造業到零售業，所有美好的就業機會都來自這些突破。”
一個新的能源部機構——高階研究計劃局能源部，是總統科學“突破”願景的關鍵，這些突破可以重塑能源，創造就業機會，並提升美國的競爭優勢。
奧巴馬在美國復甦與再投資法案中首次向 ARPA-E 撥款。在過去一年半的時間裡，該機構在研究實驗室、初創公司和一些敢於冒險的大公司中尋找“改變遊戲規則”的、尚處於萌芽階段的技術。它試圖評估最佳專案，向它們授予 100 萬至 500 萬美元的資金，併發出以下挑戰：在三年內，將其技術推進到私營部門會搶購的程度。
在這些專案中，有 16 個專案，總額約 6200 萬美元，適用於電動汽車。ARPA-E 的主任阿倫·馬朱姆達爾表示，技術和方法多種多樣。每個專案都有獨特的難題需要克服，無論是可靠性、成本、效率還是這些因素的組合。“我不知道哪個會成功，”他說。“但如果其中一個成功了，我認為這將是顛覆性的。”
終極電池的願景
最令人興奮的前景之一是鋰空氣技術，這是一個已有十年的想法，許多人認為這可能是終極電池。今天的電動汽車單次充電最多行駛 100 英里，但理論上鋰空氣電池可以實現 400 英里和 500 英里的行駛距離。事實上，它的電芯蘊含著如此多的能量，以至於可以與汽油相媲美。
一輛 2011 年的本田思域，開到最後一滴油，可以行駛約 350 英里。鋰空氣電池是唯一一種可以在不佔用比普通鉛酸汽車電池更多空間的情況下，達到這種水平的電池之一。如果美國人看到這個等式並大量購買汽車，交通排放將會下降，因為即使電網有一半是燃煤的，為電動汽車充電仍然比完全燃油汽車造成的排放更少。
白宮認為，如果鋰空氣電池取得突破，或者任何其他電池技術取得突破，回報將是巨大的。通常用於購買外國石油的資金可以留在美國經濟中。美國有一億三千萬輛汽車逐漸轉向電動化，這將振興汽車工業及其在中西部的供應商。更多的製造業工作崗位將湧現出來，以供應電池所需的成噸的礦物和材料。用過的電池可以在電網上找到第二次生命。
有一個很大的缺點：今天，沒有人知道如何以電動汽車所需的成本和質量製造鋰空氣電池。事實上，科學障礙被認為非常高，以至於這些電池被認為只有在 10 到 20 年後才有可能實現。
ARPA-E 指望像楊傳興這樣的研究人員來拉近這個未來。興教授是密蘇里科技大學化學與生物工程副教授，他獲得了兩項 ARPA-E 鋰空氣電池獎項之一。
興教授估計，如果鋰空氣電池像今天電動汽車中使用的鋰離子電池一樣發展，那麼商業化還需要 15 到 20 年的時間。但像他這樣的高風險研究——可能會使技術突飛猛進或陷入死衚衕——可能會改變這個時間表。“顯然，如果一項突破性技術獲得成功，那將大大縮短時間，”他說。
興教授不是那種在車庫裡研究火箭揹包、機械人翼或時間機器的瘋狂發明家。對大多數人來說，他可能看起來像大多數工程學教授一樣：書生氣、內向、傾向於討論事實問題，而不是糾纏於意義問題。
然而，在這種默默無聞中，興教授推進了科學，這可能會將電動汽車的黎明轉變為一個時代。這源於他和一個由六名研究生組成的團隊在燃料電池和電池的交叉領域進行了六年多的細緻而艱苦的化學研究。
找到通往終極冒險家的道路
幾年前，他意識到這項工作可以應用於鋰空氣電池，鋰空氣電池早已被譽為該領域的聖盃。然而，當他向一些商業聯絡人提出這個想法時，他們猶豫了。他們指出，無法保證研究會成功，而且這位教授沒有原型來證明他可以將數學轉化為機器。興教授的想法擱淺了。
然後 ARPA-E 誕生了，他感到這是一個難得的機會。因此，他給他多年來的一些聯絡人——一個政府實驗室、一家小型電池公司、一家奈米技術研究公司——打了電話，並決定碰碰運氣。
興教授的團隊面臨著 220 多項電池提案的競爭，其中包括來自斯坦福大學、麻省理工學院以及在政府實驗室根基深厚的公司的計劃。然而，他的想法最終入選了 10 個專案。
現在他獲得了 120 萬美元的撥款，將在三年內使用。在他僱用更多研究人員後，整個團隊將有大約十幾個人。
那麼，究竟如何尋找突破呢？興教授很謹慎。當被要求詳細說明他正在做的具體工作時，他說他不能討論他研究的技術細節。他只說他正在為鋰空氣電池開發一種新的電極和一種新的催化劑。
這大概就像一位噴氣式飛機設計師說他正在研究一種新型發動機一樣含糊。但興教授並不是唯一一位對他的 ARPA-E 專案保持敏感的人。另一位鋰空氣電池獎獲得者 PolyPlus Battery Company Inc. 是勞倫斯伯克利國家實驗室的衍生公司，被認為是該技術的世界領導者，但沒有回覆氣候連線的訊息。另外兩位 ARPA-E 獎獲得者，他們各自從事其他型別的尖端電池研究，也拒絕與氣候連線交談。
關於興教授的工作，已知的是它專注於阻礙鋰空氣電池實用化的主要科學挑戰。
大多數電池都是獨立的單元。它們包含一些材料，這些材料的化學關係本質上是將帶電粒子（稱為離子）從電池的一側踢到另一側。當離子朝一個方向移動時，電池就會發電；當它們朝另一個方向移動時，電池就會儲存能量。
鋰空氣電池的工作原理類似，但它們不是獨立的單元。“踢球者”之一實際上是通往外部世界的門戶。它是一張多孔薄片，其唯一的作用是讓氧氣進入，因為氧氣驅動著化學反應，使踢球遊戲得以繼續進行。與鐵、鈷或錳等其他電池所需的固體材料相比，這張薄片佔用的空間要小得多。瞧：電池的儲能能力相同，但佔用的空間只有當今電動汽車中使用的鋰離子電池的五分之一。
這聽起來很簡單，但還沒有人找到正確的配方。事實上，科學家們仍在研究基本原理。
“突破”必須是什麼
興教授和他的團隊正在研究兩個方面。第一個方面是利用奈米技術製造一種“呼吸”氧氣更有效率的多孔薄片。另一個挑戰是找到一種能夠像釋放氧氣一樣容易地結合氧氣的材料；否則，電池就無法充電，對電動汽車來說就毫無用處。
所有這些工作——興教授的和 ARPA-E 的其他專案——都發生在這樣一個背景下：一個有趣的電池並不總是一個有用的電池。ARPA-E 認為，為了使電動汽車取得成功，它們需要能夠大規模生產的電池。此外，它們必須像汽油車一樣行駛，而且成本不會更高。
因此，當 ARPA-E 提供資金時，它設定了一些條件。“突破性”電池的成本應約為當今汽車電池成本的四分之一，同時在相同面積內能夠容納的能量增加一倍以上。例如，這排除了含有黃金或鉑金等昂貴成分的電池，以及其他廉價但效能不佳的電池。
ARPA-E 將特別考慮那些與亞洲競爭對手的生產方式不同的電池，以及那些顯示出在美國本土大規模生產潛力的電池。“歸根結底，我們希望這些成功技術在美國實現規模化，”ARPA-E 主任馬朱姆達爾說。
一些跡象表明，實際上美國在這個領域領先其他國家幾步。風險投資人德拉吉·馬爾卡尼（RockPort Capital Partners 的負責人）表示，日本、韓國和中國的公司更專注於今天的技術，微調製造工藝以鞏固其在鋰離子電池領域的領先地位。“在技術方面，沒有太多顛覆性創新正在發生，”他說。
這發揮了美國的優勢：在大學和研究實驗室中發現前沿想法的能力。這也突顯了美國的劣勢：傾向於發現這些想法，然後將它們輸給海外開發商。缺失的環節通常是缺乏有耐心的私人投資者。
馬朱姆達爾和其他人表示，尖端能源技術風險極大且不適銷對路，公司和投資者不願涉足。因此，馬朱姆達爾說，這就是 ARPA-E 的用武之地。經過三年的資助，獲獎者應該有足夠的科學成果，讓風險投資家說“是”或“否”。前景的風險性大大降低。
來自 RockPort 的風險投資人馬爾卡尼同意，許多 ARPA-E 獲獎者，尤其是那些來自大學和實驗室的獲獎者，對於他現在來說還太不成熟，無法接受。
“從真正具有顛覆性的技術的角度來看，我們還沒有找到適合我們的選擇，”他說。“我們正在跟蹤一些符合這個標準並且看起來非常有前景的東西。”
鋰空氣電池符合“顛覆性”一詞，但他沒有提及它的原因與“退出”一詞有關。
風險投資家的角色 風險投資家認為他們的投資是短期關係。當像馬爾卡尼這樣的人看到一項顛覆性技術時，他會檢查發明家是否解決了基本科學問題，並且是否真的可以在他控制所有條件的實驗室中，做到他所說的那樣。
如果一切順利，他就會資助發明家的初創公司。然後他成為該公司的執行官之一。風險投資家通常會加入公司的董事會；這讓他們可以衡量和指導公司的進展。目標是將發明家的原型轉化為產品。
如果奏效，馬爾卡尼將幫助公司發行股票以籌集更多資金——“上市”——然後繼續他的下一個專案。或者他會把它交給一家認為它有前景的大公司。這通常是風險投資家“退出”的地方。
風險投資家通常希望這個過程需要五年時間，但馬爾卡尼說七到十年是典型的。鋰空氣電池還遠未達到這些時間表。
目前，風險投資者專注於鋰離子電池，這是當今電動汽車最輕、最具成本效益的電池。Venrock 副總裁馬特·諾丹表示，在過去五年中，全球公司和政府已向新的鋰離子工廠投入了 40 億美元。“他們不會在短期內放棄這些設施，轉而採用不同的技術，”他說。
諾丹預計，一旦這些鋰離子工廠完成其使命——隨著十年結束，這種情況將會改變——像鋰空氣電池這樣的技術將會進入視野。“電動汽車將像[豐田]普銳斯一樣，經歷早期幾代產品的磕磕絆絆，”公司將建造新的電池工廠，他說。
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