一年前的这个月，美国能源部宣布了一项1.2亿美元的计划，用于开发一项能够从根本上延长电池寿命的技术，并设定了五年的目标日期。这项研究工作现在已经进入第二年，并且正在取得进展。
一个由政府、大学和私营部门研究人员组成的团队正在探索三种可能的研究“概念”，以改进电池在能源网、交通和消费电子产品中的使用。他们想要一种能超越锂离子电池的电池。锂离子电池是上世纪70年代发展起来的一种技术，至今仍是主流。
“我们想要从根本上改变游戏规则，”阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的资深科学家、领导这项工作的物理学教授乔治·克莱布特里(George Crabtree)说。我们的目标是开发一种电池，以能量密度来衡量，它的性能可以提高五倍，而且价格也便宜五倍，五年内完成。
克莱布特里说:“如果你少做一些事情，就不会带来变革。”他指的是现在被称为“5-5-5计划”。
克莱布特里说，过去10年，锂离子电池的性能以每年约5%的速度提高，95%的电池研究机构仍在关注这项技术。他说，持续强调研究的原因是“这是相对较低的风险，有一个很好的机会得到渐进的改善。”
对锂离子替代品的研究数量有限，这也“意味着绝大多数[其他]东西都还没有被探索出来，”克拉布特里说，他是能源储存研究项目联合中心的负责人。
电池性能提高5倍可能会产生重大影响。例如，雪佛兰Volt混合动力车使用的是锂离子电池。Volt汽车的驾驶者在加满油后平均行驶约900英里，而无油驾驶(仅使用电池)的行驶里程则被限制在38英里左右。一个能行驶数百英里的更好电池将改变电动汽车的潜力。(每行驶一英里需要16分钟的充电时间;改善充电时间也是这项研究的一部分。)
改进的电池存储能力将使风能和太阳能更具有成本效益，延长手机电池的使用寿命也将是一个明显的福音。
根据克莱布特里的说法，以下是研究人员正在研究的三个主要领域。
如今的锂离子电池只有一个电荷，在电池的阴极(正极)和阳极(负极)之间振荡。研究人员正在考虑用带两种电荷的镁或带三种电荷的铝来替代锂。电荷是什么意思?储存的能量与工作离子的电荷成正比，所以两倍的电荷意味着两倍的能量，所有其他条件不变。用技术术语来说，能量就是电荷乘以电压。因此，增加能量的两种方法是增加电荷和增加电压。至少在理论上，这种方法可以使电池的能量密度增加一倍或三倍。
当锂离子位于阴极时，有一个被称为插层的过程，使分子分层，使它们能够聚集在一起，然后逆转。第二项研究努力研究用真正的化学反应取代插层步骤。化学键比插层离子储存更多的能量。其中一个过程可能涉及锂与氧反应。一个类似的过程是燃料电池，氢产生水，除了电池的化学过程是可逆的。
液体可以用来代替结晶阳极和阴极，这为工作离子打开了更多的空间。这种方法使得使用不同类型的材料来储存能量成为可能，包括有机物。问题是要找到一种能支持足够工作离子的液体。有几个主要的挑战，包括从成千上万种可能的反应中找到储存高能量的反应。另一个挑战是找到一种具有足够电压能力的溶剂。
研究人员打算在原子和分子水平上研究各种反应，并基于他们的发现构建电池。他们还将严重依赖高性能计算系统进行模拟，然后将物理测试限制在那些最有前景的东西上。
克雷布特里说，这个目标是可以实现的。他说:“我认为，在我看来，这毫无疑问是可以实现的，因为除了锂离子电池之外，还有很多尚未探索的新电池系统。”
即使5-5-5团队达到了他们的目标，一个商业化的产品可能也需要几年的时间。该研究小组希望在五年内开发出一种工作电池的原型，以证明这项技术是可行的。但是，一种新型电池的商业化、构建生产流程以及开发出一种适用于各种应用的电池，可能还需要很多年的时间。
锂离子技术是在美国开发的，但直到20世纪90年代初，也就是最初开发20年后，索尼公司才成功地将这种电池商业化。一项新技术从实验室到消费者的时间跨度通常为20年。Crabtree希望缩短产品商业化的时间，但不愿估计消费者何时能看到产品。
他承认，将开发周期缩短到10年会很快。
参与这些项目的还有其他美国国家实验室，包括西北大学、芝加哥大学、伊利诺斯大学芝加哥分校、伊利诺斯大学厄本那香槟分校和密歇根大学。参与的私营企业有陶氏化学公司、应用材料公司、江森自控公司和清洁能源信托公司。
合作伙伴将为专利池做出贡献，无论开发出什么技术，都将获得许可。Crabtree说:“我们的合作伙伴都没有期望获得独家授权。”
这篇名为《美国寻求5倍电池充电寻求改变游戏规则的技术》的文章最初发表于《计算机世界》 。