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如果没有储能能力，电动汽车、现代化的电网甚至智能手机都只不过是空想。更具体地说，它们依赖于电池，这是一种有数百年历史的技术，为了满足我们对便携式电源日益增长的需求，它被迫以更快的速度成熟。
至少就技术而言，进步给电池研究人员带来了无数的挑战。他们的设备必须在不产生更多热量的情况下更努力地工作，并且在不显著推高其供电技术的价格的情况下这样做。例如，电动汽车的零售价中大约一半是电池，尽管随着更多汽车上路，这种情况预计会下降。
美国能源部科学办公室深知这一点，于 2009 年创建了能源前沿研究中心 (EFRC) 项目，以鼓励研究人员重新思考我们如何产生、供应、传输、储存和利用能源。今年 6 月，能源部向 32 个 EFRC 拨款 1 亿美元，其中 1000 万美元用于石溪大学（纽约州立大学）由材料科学家和化学工程师埃丝特·竹内领导的复杂电池系统研究。竹内是石溪大学的杰出教授，拥有一长串工程荣誉，她最出名的是开发了一种用于为可植入式除颤器供电的改进型电池。
竹内的 EFRC 被称为介观传输特性中心 (m2M)，其目标是揭开电荷如何在锂离子电池内部移动和传输的奥秘。实验室取得的任何知识飞跃都将用于开发能够储存大量能量，同时尽可能少产生热量的电池（pdf）。石溪大学的 m2M 合作伙伴包括布鲁克海文国家实验室、哥伦比亚大学和加州大学伯克利分校。
《大众科学》采访了竹内，讨论了她与能源部的新工作、她的团队为彻底重新思考电池所做的努力，以及在追求科学突破时实验室多样性的价值。
[以下是对话的编辑稿。]
为什么您专注于电池研究？
当今最常见的高性能电池是在便携式电子产品（包括手机和笔记本电脑）中蓬勃发展的锂离子电池。当然，手机或笔记本电脑的电池不需要持续十年——谁能想象拥有一个 10 年前的手机？将锂离子电池应用于为电动汽车或像智能电网这样大的东西供电，使得开发持久耐用的电池（可以运行 10 年甚至 20 年的电池）变得非常重要。为了以这种方式改进电池，您必须真正从系统层面了解内部发生的相互作用。
从系统层面理解电池意味着什么？
我们使用非常强的氧化剂来制造正极，并使用强还原剂来制造负极。将这些材料放入电解液和某种膜中，然后理想情况下，我们希望一切都只是放在那里，直到我们要求它输送电力。但是，会发生许多复杂的化学反应，尤其是在一种固体接触另一种固体或固体接触液体电解液的界面处。可能会发生很多化学反应，而了解限制寿命的现象类型（换句话说，什么是出错的）是延长寿命的关键之一。您需要了解失效模式才能解决这些问题。
这是一种研究储能的新方法吗？
过去，电池的开发更多地是通过优化而不是基本见解。我今天的乐观情绪是，存在分析方法和技术，可以通过原位甚至在运行中探测活动电池内部的情况来提供前所未有的见解。突破性科学和真正见解的机会是我们开始能够设想的，这令人非常兴奋。
石溪大学能源前沿研究中心的资源与其他研究储能的努力相比如何？
EFRC 规模庞大，大约是典型学术研究资助的 10 倍，并且资助为期四年。这绝对是能源部的一个旗舰项目。我们已将石溪大学先进能源研究与技术中心指定为 EFRC 的总部。还有多个合作伙伴和多个实验室在其他地点参与。
您希望在未来四年内完成什么？
我们的目标当然是，我们为理解这些储能系统中发生的现象的基本科学做出重大贡献。我们最初的重点是锂基电池。这将帮助我们概念化和设计产生较少热量并完成更多工作的新方法。
研究人员使用哪些技术来研究电池？核磁共振成像是一种工具。我正在使用来自同步加速器 [一种粒子加速器] 的高能 X 射线，它可以穿透电池的钢罐——它的外壳——并获得内部固体的衍射图。这样，我们不仅可以探测反应产物，还可以获得足够高的空间分辨率来找出这些产物在哪里形成。电极有几个界面——一个面向电解液，另一个界面面向电流收集器。电解液在某种意义上输送离子，电流收集器是电子进入或离开的地方，因此我们可以知道反应发生在何处。这种[技术]告诉我们是什么限制了反应。是电子访问吗？是离子访问吗？这真是了不起的东西。
任何在膝上使用笔记本电脑的人都会告诉您电池热量可能是一个问题。除了使笔记本电脑不太适合放在膝上之外，热量如何影响电池本身？
如果我们考虑电池或一般能量，有两个组成部分。一个是工作，在电池的背景下是输送电力。第二个是热量。电池在产生较少热量的同时能够输送的电力越多，电池在完成其工作时就越有效。我们与能源部合作的新项目的整个研究前提是最大限度地减少电池产生的热量，并最大限度地提高工作量，以便我们总体上提高电池的效率。
当电池变得很大时，例如用于电动汽车或为电网供电的电池时，问题会变得更加严重。热量太多，您必须开发出从电池中去除热量的方法，因为热量不仅会损坏电池，还可能达到不安全的程度。然后，工程师必须开发使用液体或空气冷却电池的系统。处理废热既昂贵又增加了许多复杂性。
是否有其他可以替代电池的储能技术？
有许多储能方法，其中许多方法在很大程度上取决于应用。与飞轮或压缩空气等其他储能方式相比，电池擅长直接接收和输送电力。通常会有某种转换，您必须将能量重新转化为电力。例如，对于电网或汽车，您可以直接使用电力，并将其直接泵回电池，而无需经过另一个将蒸汽或运动转化为电力的步骤。
电容器是另一种储能选择。通常，电池每单位质量或每单位体积的能量含量更高。电容器的优势在于它们可以非常快速地响应，可能比电池更快，但持续时间短得多。这就是应用权衡。您只需要一个非常快速的电力闪光，还是需要持续较长时间的东西？
您与能源部的项目是如何产生的，您的 EFRC 将研究什么？
大约一年前，能源部就与该部门的重大挑战和战略利益领域相关的想法发出了提案征集。我的理解是，他们收到了 200 多份提案，我们的提案就是其中之一。这是该计划的第二轮。第一轮于五年前开始，有 46 个中心。一半在第二轮中续签，并资助了 10 个新中心，包括我们在石溪大学的中心。并非所有 EFRC 都专门与电池或化学储能有关。
新的 EFRC 如何与您和您的同事已经进行的研究相协调？
该中心使我们能够引入更广泛的专业知识。我们能够汇集更多拥有不同背景的人，这是小型资助项目无法实现的。我们可以开始跨越专业知识的界限进行合作，探索如何以更深刻的方式解决问题，因为现在我们已经从多个角度审视同一个问题。我们的目标是更深入地了解电池中特定的传输特性。我们正在研究离子和电子的移动，这两者对电池的功能至关重要。我们专注于电池中使用的基本材料，但同样对我们至关重要的是离子和电子在电池内部移动的所有界面。
您对电池的研究可以追溯到您为植入式心脏除颤器开发电池的时候。在您发明之前，这些设备是如何供电的？
该设备当时已经被演示过了，但电池的寿命是一个真正的问题。它只能持续大约一年半。当需要更换电池时，必须对患者进行手术。
为了使该设备能够在临床上广泛使用，拥有更长寿命的电池至关重要。因此，我工作的关键实际上是开发一种体积小但寿命比他们最初使用的电池更长的电池。我认为在许多方面，我开发的银钒氧化物电池推动了除颤器临床应用的普及。电池的寿命因设备和患者而异，但目标是使其持续大约五年。
感谢您在植入式心脏除颤器电池和其他几项技术方面的工作，您拥有多项美国专利。为什么专利如此重要？
专利允许公司或发明人在一段时间内（通常约为20年）实施他们的技术。这使得他们有机会在竞争对手加入之前开发、实施和销售他们的发明。因此，它允许小型发明家实际展示他们的概念，并且允许任何发明，即使是在大型公司，也能收回用于开发该技术并将其作为产品推出的投资。专利所有者还可以在其他所有人也能这样做之前从发明中获得一些收益。
作为一名女性工程师和科学家，您在进入该领域或职业生涯发展过程中是否遇到过任何特殊的障碍？
我可以说的是，根据我在职业生涯中的观察，越来越多的女性参与到这个领域。如果说多样性方面存在什么挑战，那就是人们来自不同的背景，如果你是女性，或者你来自不同的社会经济群体，你就会从不同的角度看待事物。这可能会带来挑战，因为有时持有不同观点的人会被视为——或者有时可能被视为——嗯，他们只是不明白，或者他们不知道如何与他人相处。当你与和你不同的人打交道时，有时会有些不快、不适。
这是我们都需要注意的事情之一——如果有人从不同的角度看待某件事，这可能并不意味着他们错了或不合作，这只是意味着他们有不同的观点。不同的观点往往可以引导人们提出问题或解决原本可能不会被处理的问题。如果每个人都以一种方式看待问题，您可能看不到问题的所有维度。拥有多样性是一个真正的优势。
编者注（2014年11月19日）：此问答在发布后进行了编辑，删除了两处提及 Takeuchi 是拥有最多美国专利的女性的说法。美国专利商标局无法确认她拥有的美国专利比其他任何女性都多，正如本文最初声称的那样。