埃斯特 • 竹内（Esther Takeuchi）因研制心脏除颤器电池而广受国际认可，这种心脏除颤器每年可挽救成千上万名患者的生命。埃斯特 • 竹内同时受聘于美国纽约州立大学石溪分校和布鲁克海文国家实验室，是一位富有创造力的发明家，拥有150多项专利。她荣获了2019 年Sigma Xi协会沃尔斯顿 • 丘布创新奖，该奖自2006年设立，每年颁发一次，以前的获奖者包括工程师阿克赫莱什 • 拉克赫塔基亚（Akhlesh Lakhtakia）、计算机科学家罗莎琳德 • 皮卡德（Rosalind W. Picard）和材料科学家斯坦 • 奥夫辛斯基（Stan Ovshinsky）等人。美国科学家罗伯特 • 弗雷德里克（Robert Frederick）与竹内畅谈了电池发展的未来以及为实现这些发展而开展的合作，包括竹内实验室的三名学术带头人汇集资源和专业知识，创造了研究生教育和科学研究融合发展的新模式。

植入式电池有哪些创新是其他电池类型没有的？

今天，我们所熟悉的最主要的电池类型是手机和计算机中使用的锂离子电池。如今，电子设备更新换代如此迅速，以至于电池的使用寿命只须三年就足够，因为人们使用同一款电子设备往往不超过三年时间就喜新厌旧了。但是，新型电池应用，例如电动汽车，现在的预期电池使用寿命是10年。对于支持电网或与可再生能源（例如风电场或太阳能）相连的电池，有时我们期望它们可持续使用15年或20年。受到预期寿命为5年或10年的医用电池的一些实现方法的启发，我们也许可以获得如何延长电池使用寿命的知识。

是否有特定方法或工具将医用电池上的研究应用于其他电池？

我们对电池的理解，至关重要的一点是：通常不是活性物质的消耗，而是某种寄生反应导致电池寿命的终止。对于设计精良的电池，这些寄生反应非常小。但是，通过使用等温微量热法等工具，我们可以测量电池处于活动状态和静止状态时产生的热量。通过仔细分析这些热信号，我们可以确定多少热量是由于电池的工作或运行产生的热量，而有多少是寄生热量。正是这些寄生热量与最终将导致电池终止服务或是决定电池使用寿命的这些降解反应相关。我借鉴了多年来研究医用电池所使用的相关方法学，才能够洞悉这些特定的寄生反应。但是在电池的其他领域，这种研究方法的用途却不那么广泛。

不在医用电池应用之外使用等温微量热法是出于成本考虑吗？

可能是成本原因，也可能是速度原因。这种方法确实需要花费一些时间才能获得适当的测量结果，并且破解这些测量结果意味着什么也要花时间。例如，仅将其用作质量控制检查很可能会太慢。因此，与质量控制工具相比，它实际上更是一种研究工具（用于理清电池内部发生的反应）。也许只是由于人们缺乏对该工具的了解，所以它才没有得到更广泛的使用。

回收电池材料本身就是一个科学问题，或者更多的是使回收电池材料的过程变得便宜？

电池的回收是一个非常重要的问题。今天，可有效回收的电池是铅酸电池。但是，对于锂离子电池等其他电池，它们实际上并没有得到很好的回收利用，尤其是在美国，因为这更多的是经济问题。当前的回收方法实际上基本就是将电池拆开，然后通过溶解在强酸中回收元素。锂离子电池中常用的一种非常昂贵的元素，并且使经济方面的考量开始变得有意义的，那就是钴的回收。

钴的缺点是，它仅在地球上很少的地方能开采到，最常见的产地是在刚果民主共和国，并且有人对那里的开采方式提出了质疑。因此，还需要相当大的努力来设计锂离子电池中钴的回收方式。有趣的是，钴是使电池回收在经济上可行的原因。因此，如果未来的锂离子电池缺少钴，那么再次回收单个电池组件将成为一项财务挑战。我认为这就是为什么考虑二次使用、再生或再利用电池变得非常重要的原因。如果仅以传统方式回收——熔化或溶解电池或其他方式，在经济上也许是不可能的。我认为我们必须在再利用整个电池或整个电极方面更具创造力，就像我们在研究中一直在尝试的那样，我们已经展示了一种可再生电极，能使整个电池循环使用寿命的持续时间更长，对环境的影响也更小。

您的实验室有许多并行的项目。您是否还想启动其他项目，但是没有余暇或资源？

现在确实是投身能量存储研究的非常激动人心的时机，因为这个领域的应用正在不断拓展。新应用对新型电池有着巨大的需求，并且，我相信每一种新的电池技术都需要对这些问题有基本的了解——我们在哪里进行研究，以掌握电池的工作原理、机制以及故障机制（这一点同样重要）。电池的研究项目有很多，但是有一个统一的主题：我们如何使电池容量变大，以及需要了解和控制哪些参数才能有效和高效地设计大容量电池？

我们一直专注于三个主题领域。第一个研究领域是多功能材料，这里的材料是（化学）活性材料，但它们还可以起到其他作用。例如，活性材料通常不导电，我们正在研发具有导电性的活性材料。第二个领域是我们正在研究（电池组件之间）的界面稳定性。我们如何控制（电化学）界面？我们如何创造人工界面，而不仅仅是允许界面在电池内部自发或偶然地形成？我们探究的第三个领域是具有确定和可控的孔隙率（影响电化学反应速率）的电极结构，以探查限定参数以及最终我们如何针对特定应用来确定和设计理想的电极。

尽管这些项目中的每一个似乎都是一个单独的项目，但它们都是能源前沿研究中心（EFRC）研究计划的一部分。我们的研究团队、合作研究人员和合作机构所付出的努力，为推动这些计划向前发展发挥了重要作用。我真的将EFRC研究计划归功于能源部。该计划规模足够大，可以让几个学术带头人开展协同攻关，而这在其他情况下最终可能没有机会实现。但是，EFRC计划的规模又没有大到无法进行有效管理。

您的研究团队有多个学术带头人，是什么促使你们以这种方式来组织研究团队？

艾米 • 玛施洛克（Amy Marschilok）教授和我的丈夫竹内健（Ken Takeuchi）是我一直以来合作的两个学术带头人。我们把各自的资源集中在一起，形成一个共同研究团队，共同指导学生和博士后。布鲁克海文国家实验室有两名研究人员，也是我们团队的成员。

通过集中资源，学生们将从中受益，他们从我们每个人这里都能获得真正独到的见解。竹内健是一位广受褒奖的导师和富有洞见的无机化学家、合成化学家和分析化学家。艾米 • 玛施洛克是高级表征和高级电化学技术领域的专家。我的专长在系统地了解电池以及如何探测电池、如何控制电池、如何考虑下一代电池研制方面。学生们通过定期与我们交流，从不同的视角获得我们三个人的观点。与学生们的这种交流也使我们能够以独特的方式推进我们自己的研究。

我们强调以合作的方式运作我们的研究团队，学生之间也可以相互合作。我们将大学的研究项目与国家实验室的研究项目整合在一起，还将工业界支持的研究项目也纳入其中。了解这些不同的环境如何运作，可以使我们的学生和博士后获得独特的见解，以推进他们自己的研究领域，并能朝着对他们有意义的方向追求其科研事业。因为了解了团队科研的概念，所以他们可以为职业生涯做好充分准备。这就是科学的未来。这就是将来解决大的科学问题的方式。我们正在超越“一个学生、一个项目、一个学术带头人”这种传统科研方法，创造研究生教育和科学研究融合发展的新模式。

我认为在科研的多样性和包容性方面也正在取得进展。我记得，当我在工业界开始我的职业生涯时，曾参加过各种技术会议，见到会议室里的女性人数非常有限。我们正在取得进步，我坚信进步至关重要，这不仅是因为这样做在道德上是正确的，而且因为我们需要让最有才华的人做出贡献。我们的社会面临着重大问题和挑战。我们不想仅仅因为身份或背景，就随意排除能作贡献的人。

我认为每个人都可能拿着拼图。我们试图解决的问题是一个很大的难题，因此我们需要每个准备就绪并参与其中的人来表达自己的观点，以便最终揭示我们所需的答案。如果我们将人拒之门外，不鼓励或支持那些有才干的人在自己有能力的领域孜孜以求，那么将需要更长的时间来填补这些难题并获得答案。因此，我非常赞成培养和鼓励人们发挥自己的才能和特殊天赋，使他们能够参与并为整个社会做出贡献。

资料来源 American Scientist