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奥巴马总统在他的国情咨文中描绘了未来就业的愿景——然后指向了今天的科学家。
奥巴马承认：“我们谁也不能确定下一个大产业会是什么，或者新的就业机会将来自哪里。” 但他表示，从历史上看，政府一直资助私营部门不愿资助的基础研究。几十年后，这些早期的实验室探索催生了整个产业，例如围绕互联网和全球定位系统建立的产业。
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他说：“试想一下，从制造业到零售业，所有美好的就业机会都来自这些突破。”
一个新的能源部机构——高级研究计划局能源部，是总统科学“突破”愿景的关键，这些突破可以重塑能源，创造就业机会，并提升美国的竞争优势。
奥巴马在美国复苏与再投资法案中首次向 ARPA-E 拨款。在过去一年半的时间里，该机构在研究实验室、初创公司和一些敢于冒险的大公司中寻找“改变游戏规则”的、尚处于萌芽阶段的技术。它试图评估最佳项目，向它们授予 100 万至 500 万美元的资金，并发出以下挑战：在三年内，将其技术推进到私营部门会抢购的程度。
在这些项目中，有 16 个项目，总额约 6200 万美元，适用于电动汽车。ARPA-E 的主任阿伦·马朱姆达尔表示，技术和方法多种多样。每个项目都有独特的难题需要克服，无论是可靠性、成本、效率还是这些因素的组合。“我不知道哪个会成功，”他说。“但如果其中一个成功了，我认为这将是颠覆性的。”
终极电池的愿景
最令人兴奋的前景之一是锂空气技术，这是一个已有十年的想法，许多人认为这可能是终极电池。今天的电动汽车单次充电最多行驶 100 英里，但理论上锂空气电池可以实现 400 英里和 500 英里的行驶距离。事实上，它的电芯蕴含着如此多的能量，以至于可以与汽油相媲美。
一辆 2011 年的本田思域，开到最后一滴油，可以行驶约 350 英里。锂空气电池是唯一一种可以在不占用比普通铅酸汽车电池更多空间的情况下，达到这种水平的电池之一。如果美国人看到这个等式并大量购买汽车，交通排放将会下降，因为即使电网有一半是燃煤的，为电动汽车充电仍然比完全燃油汽车造成的排放更少。
白宫认为，如果锂空气电池取得突破，或者任何其他电池技术取得突破，回报将是巨大的。通常用于购买外国石油的资金可以留在美国经济中。美国有一亿三千万辆汽车逐渐转向电动化，这将振兴汽车工业及其在中西部的供应商。更多的制造业工作岗位将涌现出来，以供应电池所需的成吨的矿物和材料。用过的电池可以在电网上找到第二次生命。
有一个很大的缺点：今天，没有人知道如何以电动汽车所需的成本和质量制造锂空气电池。事实上，科学障碍被认为非常高，以至于这些电池被认为只有在 10 到 20 年后才有可能实现。
ARPA-E 指望像杨传兴这样的研究人员来拉近这个未来。兴教授是密苏里科技大学化学与生物工程副教授，他获得了两项 ARPA-E 锂空气电池奖项之一。
兴教授估计，如果锂空气电池像今天电动汽车中使用的锂离子电池一样发展，那么商业化还需要 15 到 20 年的时间。但像他这样的高风险研究——可能会使技术突飞猛进或陷入死胡同——可能会改变这个时间表。“显然，如果一项突破性技术获得成功，那将大大缩短时间，”他说。
兴教授不是那种在车库里研究火箭背包、机械人翼或时间机器的疯狂发明家。对大多数人来说，他可能看起来像大多数工程学教授一样：书生气、内向、倾向于讨论事实问题，而不是纠缠于意义问题。
然而，在这种默默无闻中，兴教授推进了科学，这可能会将电动汽车的黎明转变为一个时代。这源于他和一个由六名研究生组成的团队在燃料电池和电池的交叉领域进行了六年多的细致而艰苦的化学研究。
找到通往终极冒险家的道路
几年前，他意识到这项工作可以应用于锂空气电池，锂空气电池早已被誉为该领域的圣杯。然而，当他向一些商业联系人提出这个想法时，他们犹豫了。他们指出，无法保证研究会成功，而且这位教授没有原型来证明他可以将数学转化为机器。兴教授的想法搁浅了。
然后 ARPA-E 诞生了，他感到这是一个难得的机会。因此，他给他多年来的一些联系人——一个政府实验室、一家小型电池公司、一家纳米技术研究公司——打了电话，并决定碰碰运气。
兴教授的团队面临着 220 多项电池提案的竞争，其中包括来自斯坦福大学、麻省理工学院以及在政府实验室根基深厚的公司的计划。然而，他的想法最终入选了 10 个项目。
现在他获得了 120 万美元的拨款，将在三年内使用。在他雇用更多研究人员后，整个团队将有大约十几个人。
那么，究竟如何寻找突破呢？兴教授很谨慎。当被要求详细说明他正在做的具体工作时，他说他不能讨论他研究的技术细节。他只说他正在为锂空气电池开发一种新的电极和一种新的催化剂。
这大概就像一位喷气式飞机设计师说他正在研究一种新型发动机一样含糊。但兴教授并不是唯一一位对他的 ARPA-E 项目保持敏感的人。另一位锂空气电池奖获得者 PolyPlus Battery Company Inc. 是劳伦斯伯克利国家实验室的衍生公司，被认为是该技术的世界领导者，但没有回复气候连线的消息。另外两位 ARPA-E 奖获得者，他们各自从事其他类型的尖端电池研究，也拒绝与气候连线交谈。
关于兴教授的工作，已知的是它专注于阻碍锂空气电池实用化的主要科学挑战。
大多数电池都是独立的单元。它们包含一些材料，这些材料的化学关系本质上是将带电粒子（称为离子）从电池的一侧踢到另一侧。当离子朝一个方向移动时，电池就会发电；当它们朝另一个方向移动时，电池就会储存能量。
锂空气电池的工作原理类似，但它们不是独立的单元。“踢球者”之一实际上是通往外部世界的门户。它是一张多孔薄片，其唯一的作用是让氧气进入，因为氧气驱动着化学反应，使踢球游戏得以继续进行。与铁、钴或锰等其他电池所需的固体材料相比，这张薄片占用的空间要小得多。瞧：电池的储能能力相同，但占用的空间只有当今电动汽车中使用的锂离子电池的五分之一。
这听起来很简单，但还没有人找到正确的配方。事实上，科学家们仍在研究基本原理。
“突破”必须是什么
兴教授和他的团队正在研究两个方面。第一个方面是利用纳米技术制造一种“呼吸”氧气更有效率的多孔薄片。另一个挑战是找到一种能够像释放氧气一样容易地结合氧气的材料；否则，电池就无法充电，对电动汽车来说就毫无用处。
所有这些工作——兴教授的和 ARPA-E 的其他项目——都发生在这样一个背景下：一个有趣的电池并不总是一个有用的电池。ARPA-E 认为，为了使电动汽车取得成功，它们需要能够大规模生产的电池。此外，它们必须像汽油车一样行驶，而且成本不会更高。
因此，当 ARPA-E 提供资金时，它设定了一些条件。“突破性”电池的成本应约为当今汽车电池成本的四分之一，同时在相同面积内能够容纳的能量增加一倍以上。例如，这排除了含有黄金或铂金等昂贵成分的电池，以及其他廉价但性能不佳的电池。
ARPA-E 将特别考虑那些与亚洲竞争对手的生产方式不同的电池，以及那些显示出在美国本土大规模生产潜力的电池。“归根结底，我们希望这些成功技术在美国实现规模化，”ARPA-E 主任马朱姆达尔说。
一些迹象表明，实际上美国在这个领域领先其他国家几步。风险投资人德拉吉·马尔卡尼（RockPort Capital Partners 的负责人）表示，日本、韩国和中国的公司更专注于今天的技术，微调制造工艺以巩固其在锂离子电池领域的领先地位。“在技术方面，没有太多颠覆性创新正在发生，”他说。
这发挥了美国的优势：在大学和研究实验室中发现前沿想法的能力。这也突显了美国的劣势：倾向于发现这些想法，然后将它们输给海外开发商。缺失的环节通常是缺乏有耐心的私人投资者。
马朱姆达尔和其他人表示，尖端能源技术风险极大且不适销对路，公司和投资者不愿涉足。因此，马朱姆达尔说，这就是 ARPA-E 的用武之地。经过三年的资助，获奖者应该有足够的科学成果，让风险投资家说“是”或“否”。前景的风险性大大降低。
来自 RockPort 的风险投资人马尔卡尼同意，许多 ARPA-E 获奖者，尤其是那些来自大学和实验室的获奖者，对于他现在来说还太不成熟，无法接受。
“从真正具有颠覆性的技术的角度来看，我们还没有找到适合我们的选择，”他说。“我们正在跟踪一些符合这个标准并且看起来非常有前景的东西。”
锂空气电池符合“颠覆性”一词，但他没有提及它的原因与“退出”一词有关。
风险投资家的角色 风险投资家认为他们的投资是短期关系。当像马尔卡尼这样的人看到一项颠覆性技术时，他会检查发明家是否解决了基本科学问题，并且是否真的可以在他控制所有条件的实验室中，做到他所说的那样。
如果一切顺利，他就会资助发明家的初创公司。然后他成为该公司的执行官之一。风险投资家通常会加入公司的董事会；这让他们可以衡量和指导公司的进展。目标是将发明家的原型转化为产品。
如果奏效，马尔卡尼将帮助公司发行股票以筹集更多资金——“上市”——然后继续他的下一个项目。或者他会把它交给一家认为它有前景的大公司。这通常是风险投资家“退出”的地方。
风险投资家通常希望这个过程需要五年时间，但马尔卡尼说七到十年是典型的。锂空气电池还远未达到这些时间表。
目前，风险投资者专注于锂离子电池，这是当今电动汽车最轻、最具成本效益的电池。Venrock 副总裁马特·诺丹表示，在过去五年中，全球公司和政府已向新的锂离子工厂投入了 40 亿美元。“他们不会在短期内放弃这些设施，转而采用不同的技术，”他说。
诺丹预计，一旦这些锂离子工厂完成其使命——随着十年结束，这种情况将会改变——像锂空气电池这样的技术将会进入视野。“电动汽车将像[丰田]普锐斯一样，经历早期几代产品的磕磕绊绊，”公司将建造新的电池工厂，他说。
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