互动科普

与传统的普通电池相比，纳米电池颇具革命性：微小、环保、未使用时不会丧失电能。有了纳米电池，电源最终能与其他电子元件一起微型化，添加到各种设备的芯片上。预计在2~3年内，纳米电池将送到首批使用者手中。

1947年问世时，晶体管还是一种不成熟的、半英寸高的小玩意，如今已缩小为元件尺寸仅几百个原子长度的精巧装置。另一方面，一些电池也有了改进，体积已缩小为现今晶体管元件的1/50左右，却能提供更多的电能。

曾制造出第一只晶体管的贝尔实验室(Bell Laboratories)，目前正致力于彻底改造电池的工作。他们的目标就是应用晶体管制造技术，将电池元件缩小到纳米级，以便将这种纳米电池与其他电路一道添加到芯片上。

纳米电池能保持休眠状态至少15年之久，这使得它能作为一种传感器的电源——这种传感器可用于监测放射性或跟踪有毒化学物质的积聚状态；此外，一旦需要，可立即将纳米电池从休眠状态唤醒，提供高能脉冲。根据该设计概念，将诞生第一批绿色环保电池：通过中和其内部有毒化学物质，环保电池本身可以得到分解。

种植纳米草

纳米电池的诞生，源于贝尔实验室对纳米技术的初步尝试。2002年秋，贝尔实验室的合作伙伴朗讯技术公司(Lucent Technologies)与美国新泽西州政府和新泽西技术研究所联合，着手组建新泽西纳米技术联营企业。这一设想的初衷，是为了使公司的研究、开发和样机试制服务为产业界、学术界和政府纳米技术研究人员所接受。作为贝尔实验室负责纳米技术研究工作的副总裁，戴维·毕晓普(David Bishop)也开始组织一些研讨会，以便公司科研人员共享一些思路，让研究获得新的应用，供联营企业成员作进一步开发。

汤姆·克鲁彭金(Tom Krupenkin)是贝尔实验室的元老，他长期致力于液体微透镜的研究工作，这类微透镜目前常见于摄像电话。这类微透镜由一些液滴组成，这些液滴可随着施加到其接触表面上的电压变化而改变形状，借此改变焦点参数。随着电压的变化，这些所谓的电润湿表面就能从超疏水状态变为亲水状态。

超疏水性即有助于雨水滑离鸭子羽毛和荷叶的特性。表面张力使液滴倾向于形成珠状，而它们所在的固体表现却能施加一些吸引力，导致它们分散开来。在诸如玻璃之类亲水性物质上，水向四面铺开；但是在一些超疏水性材料上，液滴将完全呈现出球状，本质上根本不与那些材料表面相互发生作用。

克鲁彭金由此推断，对于一种超疏水性表面上的液滴状态，其电润湿作用可能有助于控制化学反应的进行速度。他简要叙述了一种概念，该概念与一排排能够展现电润湿作用的超疏水性的纳米宽度柱体有关。在显微镜下，这些柱体类似于一块修剪平整的“纳米草”(nanograss)草地。这种纳米草可采用标准微芯片工业技术来生产，该技术是数十年来为加工硅而开发的。科研人员给液滴液体施加一个电压，便能建立一种反应，使这些柱体变为亲水状态，并让液滴下移渗入到这些纳米柱(nanopillar)间的空隙。然后，这种液体便能与位于底部的任何一种化合物发生反应。克鲁彭金突发奇想，认为这种液体能在纳米电池中用来产生电能。

电池实质上就是化学反应器。一次性电池由两个电极组成：阳极和阴极，它们浸泡于电解质溶液中。组成这两个电极的化合物通过电解质相互发生反应，从而产生电子。问题就在于，即使在电池未与设备连接时，这些电化学反应也会发生。因此，在未使用时，这种普通电池的电量损耗一年高达7%~10%。

所谓的储备电池则采用物理隔板，使电解质与两个电极保持隔离状态，直到电池被激活为止；所发生的这种极具腐蚀性的电化学反应，可提供数组高能脉冲。这种使电解质与电极保持隔离状态的机械问题，转变为一些巨大而笨重的电池。因此它们主要用于一些应急状况(例如医院的重病特护室或手术室)以及一些军事设备(例如夜视镜或激光照明)。

纳米草的出现，使储备电池有可能更容易微型化。克鲁彭金解释说，研究人员还能设计出一次仅激活少部分纳米草草地的电池，这种电池不会让所有化学物质同时发生反应。

贝尔实验室开始到处收集这种纳米草设计概念。毕晓普说：“朗讯公司并非一家电池公司，但是却很想对电池进行革新。”2003年年末，在一次研究会上，一个名叫mPhase的公司从朗讯公司那里听说了一种基于纳米技术的电池的介绍。史蒂夫·西蒙(Steve Simon)——mPhase公司负责工程设计、研究与开发的执行副总裁回忆说：“我们离开会议室时惊叹：‘天哪，那真是一项惊人之举。’”mPhase公司起初是一家研制家用宽带和视频DSL元件公司，该公司是设在康涅狄格州诺沃克的微相公司(Microphase)的子公司，后者是一家为军事、航空航天和电信业提供微波电子元件的公司。

随着电信元件市场不断成长，mPhase公司首席执行官罗恩·杜兰多(Ron Durando)力图将公司彻底改造为一个纳米技术供应商。他特别想在不长的时间内研制一种装置，该装置没有医疗用途(因而避免了临床试验拖拉费时的繁琐手续)，并能占有军用市场——军用市场支持早期生产过程中经常处于支配性地位的纳米技术装置进行溢价销售。西蒙解释说：“这种电池符合上述所有三个条件。”

2004年3月，mPhase公司批准了联合研制协议，以使这种纳米电池商业化。一方面，mPhase公司调查潜在用户的需求，以制造这种收益颇巨的电池；另一方面，还为了从朗讯公司那里获得该技术的专利许可证，报之以专利许可费，提供一个4.5亿美元的绝对无尘室(clean room)，供拥有数十年硅制造经验的科技人员使用。

让它开始工作

到了2004年9月，这些科技人员在实验室里制成了一个能产生电流的工作模型。为了生产出样品，该研究小组必须制造一些硅柱，每根硅柱宽约300纳米，两根硅柱之间相隔两微米。为了产生电能，这些研究人员采用一些普通碱性电池中使用的化合物，将锌作为阳极材料，二氧化锰作为阴极材料。这些硅柱所在的硅底板上覆盖有锌，而硅柱本身则覆盖一层二氧化硅，这样便使研究人员能控制该装置的电压，而这些纳米柱体尖端上则覆盖一层类似特氟隆的碳氟化合物(fluorocarbon)，该碳氟化合物层具有电润湿特性。

克鲁彭金强调说：“人们很难使一些概念简单的东西开始工作。”他回忆说，仅仅将锌涂在底板上就遇到“一个又一个巨大困难”。为了将金属沉积于一些特定位置上，科技人员使用了一种名为电镀的工艺技术。然而，电镀不能在这种纳米装置的氧化物(如二氧化硅)上进行，因此必须设计一种方法，使硅底板上没有二氧化硅，让锌能在它上面生长出来，同时让覆盖有这种氧化物的硅柱存留下来。这一解决方案旨在用这种氧化物覆盖硅底板和硅柱，而且使底板上的覆盖层最薄，然后，研究人员使用离子化气体从整个装置上蚀刻掉这些氧化物，直到底板上没有氧化物为止，虽然柱体上仍然覆盖有氧化物层。

然而电镀也不能在硅上进行。因此这些研究人员使用湿化学技术将镍或钛沉积在底板上，作为在电镀时粘附锌的一个种子层。为了不让一些地方堆积大量的锌而其他地方又缺乏锌的情况出现，更为了让锌均匀地生长，就需要通过调节温度、电流和化学物质浓度来反复进行试验。西蒙评述说：“回过头来看，这项工作仅花了一年时间，真让我感到吃惊。”

在这些科技人员有了一个工作样品之后，他们便开始与潜在用户对话，这些对话引发了他们对这种电池进行彻底改造。该电池的初始设计为一种三明治样式，其阴极位于顶部，氧化锌电解质溶液在中间，纳米草在电解质的下面，而阳极则在底部。位于美国马里兰州阿德尔菲的美国陆军研究工作实验室的一些官员表示担心，他们担心电解质与任何一种电极之间的不断接触可能导致不需要的化学反应。在重新设计之后，现在电解质位于电池顶部，阳极和阴极化合物则在底部，为一些物理上相互分离的贴片，而一块纳米硅隔板悬挂于它们之间。这样，在电池被激活时，就能让电解质渗入并浸泡电极。

该研究小组最初使用纳米柱将电解质与阳极分隔开，因为这些柱体占用的空间最小，能为电极之间的化学反应提供更大的表面积。但是，制造这种纳米柱电池极为困难，因此促使研究人员去研制一种纳米蜂窝状薄膜，以便将电解质与电极隔开。而要制造电润湿薄膜也是挑战，该薄膜上面有一些直径为20微米的孔和宽度为600纳米的易脆薄壁。首先，这些科技人员使用一种等离子体，在覆盖有二氧化硅的硅晶片上蚀刻出精细的蜂窝状结构，然后将硅晶片放入充满氧气的、加热到1000℃的加热炉中，让这些孔的裸露硅壁上生长出二氧化硅，最后，他们给整个蜂窝覆盖一层碳氟化合物。

2005年10月，这些研究人员研制出第一批重新设计的样品。该装置的显著优点之一，就是它目前有助于该研究小组避免一种尴尬：为了试验一种新的阳极-阴极组合，他们每次都不得不淘神费力去寻找适宜的条件，以便在一片纳米柱森林中生长出一个均匀的阳极层。而现在，科技人员能直接将电极贴片置于其他一些无特色的表面上。西蒙指出，他们在电镀作业方面获得的经验，同时将使这些电极贴片的制造容易得多。贝尔实验室和mPhase公司目前正在与拉特格斯大学合作，将数码相机和手机中的锂电池的化学性质融入到这种电池中。

这种纳米电池还可以为一种更为环保的有益电源提供条件，这种电源包含一些能处理掉电解质的化合物。克鲁彭金说：“那样就能使它不致浸入地面，或者在士兵被击中时，也可以不让电池泄漏到全身。”西蒙补充说，塑料纳米结构还可取代硅的使用，这样便可为制造出柔性纳米电池铺平道路。

这些科技人员并未试图用它去取代一次性电池，克鲁彭金说，因为那些电池的批量生产“使每只AA电池的成本仅为零点几美分”。然而，他们正将目标瞄准一些更为专业化的应用领域，例如一些从军用飞机上拆卸下来的传感器，在其使用寿命中，这些传感器仅有一两次必须用它们的无线电发射装置来传递发现入侵者(如毒素或辐射)的信号。克鲁彭金解释说：“如果这种传感器没有发现感兴趣的东西，那么它就不会发射信号，但是如果有所发现，则需要大量的电能。”换句话说，一些监测环境变化的装置，可能会利用巨大的动力在更长的距离上来传送信号，借此减少所需的传感器数量。应急储备电池还可以装入医用植入装置、手机或宠物无线电发射颈圈中。

该研究小组为他们的电池设想了一种可充电版本。脉冲电流可通过电源耗尽的纳米电池，使放置有电解质的表面发热，那样就能让薄薄的一层这种液体蒸发掉，迫使该液滴回升到纳米结构的顶部。克鲁彭金警告说：“在理论上，这是可能的。在实际上，其实远不是这样。”例如，mPhase公司预计在2~3年内将产品样本送到首批潜在使用者手中。纳米电池可能证明能源最终将跟上微型化革命的步伐，而几十年来，微型化革命一直在推动着其他电子产业发展。