[Photos: NASA, Daniel Apodaca/Unsplash]
美国宇航局知道我们的文明有一个巨大的问题：我们必须应对气候变化，同时满足我们对陆地，海上和空中廉价，便捷运输的需求。这意味着我们需要使汽车、轮船和飞机电气化——这项任务目前是不可能的，因为我们没有技术来实现它。幸运的是，美国宇航局正在开展SABERS项目，这种电池有可能改变这种状况，这要归功于新的化学和神奇的材料石墨烯。
在我们进入解决方案之前，让我们解释一下这个问题： 目前为99%的电动汽车（EV）和许多电子产品供电的锂离子电池基本上是由三部分组成的三明治：顶部面包称为阴极（由锂制成，撒有钴或其他有毒物质），中间的填充物是电解质（易燃液体）， 底部面包是电极（一般由石墨制成）。
这些成分之间的化学反应使电池能够充电、储存和输送电力，但它们也是多个严重问题的根源。首先，与化石燃料等其他能源相比，即使是最好的锂离子电池的性能也很差。美国能源部阿贡国家实验室2016年的一项科学研究预测，我们距离与化石燃料功率密度相匹配的电池还有三十年的时间，化石燃料的功率密度以每公斤瓦特小时表示。每单位重量可以产生的能量越多，功率密度就越高，因此，推动汽车或飞机的效率就越高。根据阿贡实验室的计算，到2045年，电池可能会达到化石燃料的功率密度。
这已经够糟糕的了，但这只是问题的一部分。另一个是电池的缓慢充电速度。埃隆·马斯克（Elon Musk）最好的汽车特斯拉Model S Plaid需要一小时才能从0%充电到100%，而您可以在三分钟内为一辆类似的汽油车加满油。
锂离子电池需要大量的冷却包装，这进一步增加了它们的重量。它也容易着火或在撞击时爆炸，这一事实使其极难回收。最重要的是，这些电池是由地球上稀缺的元素制成的，比如锂或钴（芬兰LUT大学太阳能经济学教授兼研究员Solomon Asfaw博士认为，到2050年，锂将耗尽）。它们也伴随着地缘政治麻烦的巨大一面，因为它们主要由中国控制。
[Photo: Matthew Lloyd/Bloomberg/Getty Images]
石墨烯救援
所有这些因素使得目前的锂电池对汽车、电子产品甚至整个社会都不是很好。当然，它们不适合商业飞行等要求更高的应用。卡内基梅隆大学机械工程系团队 2021 年的一篇研究论文称，小型支线飞机将需要功率密度至少为每公斤 480 瓦时的电池。锂离子电池目前可以提供的最好的约为 260 Wh/kg。
这就是SABERS的用武之地。首字母缩略词代表用于增强可充电性和安全性的固态架构电池（Solid-state Architecture Batteries for Enhanced Rechargeability and Safety），这是一个在NASA“高风险，高回报”研究计划下已经酝酿多年的项目。它的唯一目标是开发一种可以使电动飞行可行的电池 – 电池设计的圣杯。如果NASA实现了这一崇高目标，那么从公共交通到私家车，再到手机和笔记本电脑，这些优势将影响一切。
SABERS由Rocco Viggiano博士领导的工程团队在俄亥俄州克利夫兰的NASA格伦研究中心开发，旨在功能强大，轻便，快速充电，可扩展到任何应用，并且非常安全。很简单，对吧？科学家们正在通过消除所有有毒和危险的材料来做到这一点，这些材料使目前的电池效率太低，风险太大，无法放入载有数百人的飞机。
[照片：美国宇航局]
Viggiano 解释说，电池被组织成可以堆叠在一起的封装电池。继续我们的熟食店比喻，把它想象成一座三明治塔。每个电池由三层组成：阳极是锂金属（固体，不像锂离子，它更像凝胶）。阴极是硫和硒的混合物，其颗粒排列在美国宇航局发明并获得专利的石墨烯网中。介于两者之间的是电解质，这是一种专有的——目前是秘密的——固体材料，不含当今锂离子电池的易燃成分。
Viggiano 说，结果是一种价格适中且可扩展的电池。一种既不易燃又不易爆的物质。它非常安全，事实上，测试表明即使在撞击时受到严重损坏，它也能继续运行，这对航空应用以及汽车和卡车来说都是一个关键因素。
美国宇航局研究人员John Connell和Yi Lin（坐着）正在使用循环电压表来检查SABERS团队为其固态电池创建的全新阴极的性能水平。[照片：美国宇航局]
超出预期
第一次电池测试的结果令人印象深刻，让Viggiano和他的团队以及业内其他人感到惊讶和高兴。他们了解到，电池的工作温度在最大功耗下不超过302华氏度。根据Viggiano的说法，他们在“不同的压力和温度”下对其进行了测试，发现它可以在几乎是锂离子电池两倍的温度下运行，而无需那么多的冷却技术。较低的工作温度对于电池的安全性及其最终重量至关重要：由于它不需要锂离子电池所需的制冷层，因此SABERS电池更紧凑，可扩展且更轻。
但最令人震惊的结果是电池的功率密度。SABERS 每公斤提供 500 瓦时，是最佳汽车 260 瓦时/公斤的两倍，并超过了卡内基梅隆大学区域飞行所需的 480 瓦时/公斤的目标。“它远远超过了被认为是最先进的锂离子电池的能力，”Viggiano说。
Yi Lin博士是美国宇航局弗吉尼亚州兰利研究中心先进材料和加工分部的研究材料工程师，他一直在远处关注Viggiano的工作。在他看来，虽然“优化和扩大规模仍有待研究，但[SABERS]可以改变游戏规则。他通过电子邮件告诉我，结果非常令人鼓舞，看起来这个概念在商业上生产是可行的。
学术界的其他人也同意。 “SABERS 可能具有极高的比能量（单位重量的能量含量），这非常适合电动飞机，”佐治亚理工学院机械工程学院副教授 Matthew T. McDowell 博士说。 “需要像他们正在研究的技术这样的电池来扩展电动汽车的续航里程，甚至使电动或混合动力飞机成为可能，我认为 NASA 正在推进下一代电池技术，这很棒。”
还记得那辆特斯拉汽车吗？一旦完全开发，基于SABERS技术的电池最终可以将汽车的续航里程延长至1000英里，使其领先于汽油车并缩短充电时间。
前方的道路
虽然美国宇航局的固态电池是一个潜在的游戏规则改变者，但如果我们现在不合理化它们的制造并重新思考整个移动性，电动汽车将注定要失败。事实是，尽管取得了进步，但像SABERS这样的发明仍然遥遥无期。前丰田高管Hiroaki Koda现在领导松下 – 丰田电池合资企业Prime Planet，他最近告诉英国《金融时报》，实用的固态电池要到2032年才会开始出现。Viggiano认为这将比这更早发生，并预测配备固态电池的限量生产汽车可能会在2025年至2028年的时间范围内上路，使用诸如添加几滴液体来欺骗物理学之类的捷径。
尽管如此，与交通相关的基本问题比SABERS可以解决的要大。Asfaw认为，我们需要促进车辆共享的公共政策和城市规划，以满足交通需求，同时减少二氧化碳排放，同时不停止进步和经济。固态电池、氢内燃机、氢燃料电池、紧凑型聚变发动机和无线能量传输在我们的未来都有一席之地，但围绕这些技术的研究应该与更系统的方法一起发展。
其中一部分是制造完全可回收的电池，SABERS使这成为可能。但这也是一个公共和机构支持的问题。斯旺西大学低碳能源与环境主席安德鲁·巴伦（Andrew Barron）认为，地球安全快速的电气化需要相当于新的阿波罗计划。“我最喜欢的演讲之一是约翰·肯尼迪（John F. Kennedy），他站在莱斯大学的足球场上宣布，到本世纪末，美国将把一个人送上月球，”巴伦说。“当时所有的航空航天公司都在问’我们要怎么做？他们不知道。但在那七年的时间里，他们实际上已经到了把人送上月球的地步。这导致了有史以来最大的技术革命，以及工程师和科学家空前的激增。
这是美国今天仍在冲浪的浪潮，也是它保持的狭隘技术领先地位的来源。巴伦认为我们现在也需要同样的东西，所以SABERS和其他技术不需要二十年才能进入市场，而只需要几年。如果我们不拿出资源来解决这个巨大的难题，我们将无法解决我们作为物种所面临的最大问题：及时阻止气候变化，将人类从自我造成的灭亡中拯救出来。
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