科学家通过研究极大地改善了托马斯·爱迪生（Thomas Edison）铁镍电池的性能。正如爱迪生最初设想的那样，增强型设备最终可用于电动汽车。

为了证明爱迪生铁镍电池的可靠性，在1910年，驾驶员以1,000英里的耐力，驾驶由铁镍电池供电的百利车。

美国斯坦福大学的科学家为铁镍电池注入了新的生命，铁镍电池是托马斯·爱迪生（Thomas Edison）在一个多世纪前开发的可充电技术。

爱迪生电池于1900年代初设计用于为电动汽车提供动力，在1970年代中期大受欢迎。如今，只有少数几家公司生产铁镍电池，主要用于存储太阳能电池板和风力涡轮机产生的剩余电量。

化学教授戴宏杰（Hongjie Dai,）说：“爱迪生电池非常耐用，但是有很多缺点，典型的电池可能需要几个小时才能充电，并且放电速度也非常慢。”

现在，戴教授和他的同事们大大提高了这项具有百年历史的技术的性能。斯坦福大学的研究小组开发了一种超快铁镍电池，可以在大约2分钟内充满电，并在不到30秒的时间内放电。结果发表在6月26日的“自然通讯”杂志上。

该研究的主要作者王海亮说，该团队设法将充电和放电速率提高了近1000倍。

王海亮说：“我们的电池充电速度非常快。”

戴宏杰说，有一天，高性能、低成本的电池可以用来帮助电动汽车，这就像爱迪生最初的意图一样。

他补充说：“希望我们能给铁镍电池带来新的生命。”

电动车

爱迪生是全电动汽车的早期倡导者，他在1900年前后开始销售铁镍电池。直到1920年左右，它一直在电动汽车中使用。该电池的长寿命和可靠性使其成为铁路，矿山和其他地方的流行备用电源。工业直到20世纪中叶。

爱迪生创造了铁镍电池，作为腐蚀性铅酸电池的廉价替代品。其基本设计包括两个电极-浸在碱性溶液中的镍制阴极和铁制阳极。

戴宏杰指出：“重要的是，镍和铁都是地球上的丰富元素，并且相对无毒。”

长期以来，碳一直被用来增强电极的导电性。为了提高爱迪生电池的性能，斯坦福大学的研究小组使用了石墨烯（纳米碳薄片，厚度仅为1个原子）和多壁碳纳米管，每个碳纳米管由大约10个同心的石墨烯薄片卷在一起而成。

王海亮解释说：“在常规电极中，人们将铁和镍材料与导电碳随机混合。相反，我们将氧化铁的纳米晶体生长在石墨烯上，将氢氧化镍的纳米晶体生长在碳纳米管上。”

这项技术在金属颗粒和碳纳米材料之间产生了牢固的化学键合，从而对性能产生了巨大影响。

戴宏杰说：“将镍和铁颗粒耦合到碳基质上，可使电荷在电极和外部电路之间快速移动。”“结果是铁镍电池的超快版本，能够在几秒钟内完成充电和放电。”

未来的应用

戴宏杰教授的实验室开发的1伏原型电池的电量足以操作手电筒。研究人员的目标是制造更大的电池，以用于电网或运输。

日产Leaf和雪佛兰Volt等大多数电动汽车都使用锂离子电池运行，该电池可以存储大量能量，但通常需要几个小时才能充电。

王海亮说：“由于能量密度不够理想，我们的电池可能无法自行为电动汽车供电。”“但是它可以通过为锂离子电池提供真正的动力提升，从而加快加速和再生制动，来辅助锂离子电池。”

戴宏杰补充说，增强的爱迪生电池在紧急情况下可能特别有用。他说：“例如，可能有军事用途，您必须非常快速地收费。”

王海亮说：“它绝对是可扩展的。镍，铁和碳相对便宜。电解质只是带有氢氧化钾的水，也非常便宜和安全。它不会在汽车中炸毁。”

原型电池的一个主要缺点是-随时间保持电荷的能力。戴宏杰说：“它没有我们想要的充放电循环稳定性。目前，它在800次循环中衰减了约20％。这与锂离子电池差不多。但是我们的电池速度很快，因此我们会更频繁地使用它。理想情况下，我们不希望它使用完全消失。”

戴认为使用强耦合纳米材料是制造电极的一种非常令人激动的方法。这与传统方法不同，在传统方法中，您只是将材料混合在一起。我认为托马斯·爱迪生很高兴看到这一进展。

该研究的其他合著者是博士后学者梁永业和李艳光，研究生明功以及斯坦福大学的韦斯利·张和泰勒·梅福德。加拿大光源公司的周继刚，王健和汤姆·雷吉尔；和清华大学的费伟

这项工作得到了英特尔的支持，斯坦福大学普雷考特能源研究所的斯坦纳特/里德奖和斯坦福大学研究生奖学金。

Mark Shwartz为斯坦福大学普雷考特能源研究所撰写能源技术。

关于戴洪杰在斯坦福大学的研究实验室

戴洪杰教授的研究小组一直致力于化学，物理，材料和生物医学科学之间的桥梁和接口，以开发具有在电子，能量存储，纳米医学等领域有用的先进纳米材料。最近的发展包括在第二个近红外窗口中对生物系统进行荧光成像，超灵敏的诊断检测，快速充电，廉价的铝电池和可负担的，能将水分解为氧气和氢气的节能型电催化剂。

戴宏杰在北京清华大学开始了物理学的正式研究，并在哥伦比亚大学开始了应用科学的硕士学位。在哈佛大学获得博士学位（1994年博士学位）和莱斯大学的博士后研究之后，他于1997年加入斯坦福大学，并于2007年被任命为JG Jackson和CJ Wood化学教授。在他对纳米科学的贡献中获得的各种奖项中，他获得了美国化学学会的ACS纯化学奖，朱利叶斯·施普林格应用物理学奖，美国物理学会的APS詹姆斯·麦格罗迪新材料奖以及材料研究学会的认可。 MRS中级职业研究员奖。他曾当选为艺术与科学学院，美国科学促进会，美国科学院和美国国家科学院。

戴宏杰实验室的研究工作是对碳基纳米材料，等离激元材料，强耦合碳-无机杂化材料，新型电催化剂和电池材料的合成和基本理解，其应用范围包括纳米电子学，纳米生物技术，纳米医学，能量存储和电催化。

新型纳米材料的开发

戴宏杰实验室已经为碳纳米管的生长提供了先进且普及的化学气相沉积技术，包括垂直排列的纳米管以及硅晶片和其他基板上单壁碳纳米管的首次图案化生长，从而促进了全球碳纳米管固有物理特性的研究。Dai的研究小组还通过拉开碳纳米管的拉链率先开发了石墨烯纳米带的合成方法。

戴宏杰小组一直在开发具有可控氧化度的碳纳米管和石墨烯上的各种纳米晶体和纳米颗粒的合成，生产出一类强耦合的杂化材料，在无机颗粒和纳米碳之间具有共价键合，具有先进的电化学，电催化和催化性能。光催化。

戴宏杰小组一直在研究一种新型的纳米结构等离子金膜，该膜在大型基材上具有较高的均匀性，可通过近100倍的开放式，超灵敏的蛋白质和抗体疾病生物标志物生物学检测方法对近红外荧光进行增强。 -红外荧光。

纳米物理与设备

戴宏杰的小组一直在研究纳米碳物理和电子学。该小组合成的高质量纳米管被广泛用于研究准一维系统的固有电，机械，光学，机电和热性能。Dai的小组演示了基于纳米管的电子纳米传感器，开发了与纳米管的Pd欧姆接触，研究了在纳米管中的弹道电子传输，并演示了集成了高kappa电介质的弹道碳纳米管场效应晶体管。

纳米医学

戴宏杰的研究小组通过开发π-π堆叠非共价功能化化学，分子细胞递送（药物，蛋白质和siRNA），体内用纳米碳进行小鼠模型药物递送（用于癌症治疗）以及体内研究，在碳纳米管和纳米石墨烯领域开展了生物学研究，利用近红外光吸收对癌症进行光热消融。所使用的纳米碳材料广泛包括碳纳米管，纳米石墨烯和石墨壳磁性核纳米颗粒。通过与医疗小组的各种合作，Dai的小组使用纳米管作为新型造影剂，利用拉曼，光声和荧光模式开发了体内外生物成像。

NIR-II荧光成像

戴宏杰的小组一直在使用简单的单光子技术在体内进行深层生物成像的NIR-II荧光成像方面开创先河。戴宏杰的实验室利用减少了在新近铸造的NIR-II（1000-1700 nm）窗口中的光散射的物理原理，并利用了该范围内的纳米管固有荧光来推动组织穿透深度的极限，以进行荧光成像，例如非侵入性小鼠中风的全颅脑成像，以及小鼠肿瘤模型，后肢缺血和脑外伤的成像。开发了视频速率（约30帧/秒）的NIR-II成像以实时测量单个血管中的血流，从而解决了与心动周期有关的功能。Dai的小组开发了新颖的NIR-II荧光剂，包括碳纳米管，量子点，共轭聚合物和有机染料，有可能取代ICG进行临床翻译。零自发荧光生物成像是通过在〜800nm处激发并在〜1500 nm范围内进行检测而实现的。

电催化和铝离子电池

戴宏杰小组一直在开发纳米碳-无机颗粒杂化材料，作为该小组的新方向，从而导致了能源研究的实质性进展。他的小组开发了用于氧还原的新型电催化剂和包括NiFe层状双氢氧化物的水分解催化剂，用于氧的释放。最近，Dai的小组一直在开发具有石墨阴极的铝离子电池，这代表了电池科学和技术的新领域。