一枚電池的前世今生

Jose Alarco

電池，從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，就是一種能夠?qū)?chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備?；旧希姵鼐褪且粋€(gè)小型化學(xué)反應(yīng)器，通過(guò)反應(yīng)產(chǎn)生高能電子，用以注入外部設(shè)備之中。電池出現(xiàn)的時(shí)間之早超出了我們的想象。1938年，巴格達(dá)博物館主任在該博物館的地下室中，找到了現(xiàn)在被稱為“巴格達(dá)電池”的原始電池。分析表明，這一原始電池可以追溯到公元前250年，屬于美索不達(dá)米亞文明時(shí)期的造物。

這枚最早的電池引發(fā)了很多的爭(zhēng)論。對(duì)于它的用途，人們眾說(shuō)紛紜，可能的假說(shuō)包括用于電鍍，止痛或者是人們通過(guò)與之接觸時(shí)的刺痛感，來(lái)產(chǎn)生宗教體驗(yàn)。美國(guó)發(fā)明家本杰明·富蘭克林在1749年首次使用了“Battery”這一詞語(yǔ)。當(dāng)時(shí)他使用了一組串聯(lián)的電容器來(lái)進(jìn)行電學(xué)實(shí)驗(yàn)。

真正意義上的現(xiàn)代電池是由意大利物理學(xué)家Alessandro Volta于1800年發(fā)明的。他通過(guò)在一枚銅片和一枚鋅片中間夾上浸有鹽水的布片構(gòu)筑成一個(gè)小單元，再將這些小單元堆疊起來(lái)，就得到了“伏打電堆”。導(dǎo)線將電堆的兩端連接起來(lái)，就能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的電流。每一個(gè)小單元能夠產(chǎn)生0.76伏特（V）的開路電壓。通過(guò)將這些小單元串聯(lián)，我們能夠得到電壓相當(dāng)于每一個(gè)小單元電壓的總和。

鉛蓄電池是目前已知最持久的電池之一，它發(fā)明于1859年，現(xiàn)在仍然用于大多數(shù)內(nèi)燃機(jī)汽車的點(diǎn)火。它也是最早的可重復(fù)充電的電池。

當(dāng)化學(xué)反應(yīng)開始時(shí)，額外的電子被釋放出來(lái)，電池即開始放電。額外電子釋放的一個(gè)例子是在鐵氧化生銹的過(guò)程中，鐵與氧氣發(fā)生反應(yīng)，將電子釋放給氧氣，形成鐵的氧化物。

標(biāo)準(zhǔn)的電池構(gòu)造是將兩塊化學(xué)勢(shì)不同的金屬或是化合物用一層多孔絕緣體隔開?；瘜W(xué)勢(shì)即是儲(chǔ)存于原子與化學(xué)鍵之間的能量，當(dāng)電子能夠自由地在連接的外部設(shè)備中移動(dòng)的時(shí)候，這些能量能夠傳遞給那些運(yùn)動(dòng)的電子。

鹽水這樣的導(dǎo)電液體常常被用來(lái)傳輸可溶解的離子，在反應(yīng)過(guò)程中，這些離子在溶液中可以從一種金屬的表面轉(zhuǎn)移到另一種金屬的表面，我們通常稱這樣的導(dǎo)電液體為電解質(zhì)。

在放電過(guò)程中，失去電子的金屬或化合物被稱為陽(yáng)極，得到電子的金屬或化合物被稱為陰極。在外電路中，電子流從陽(yáng)極流向陰極，這就是我們用以驅(qū)動(dòng)電力設(shè)備的“電流”。

產(chǎn)生電流之后，有些電池的狀態(tài)無(wú)法逆轉(zhuǎn)，我們將這種電池稱為一次電池。當(dāng)反應(yīng)物之一消耗殆盡，這種電池便無(wú)法再使用了。最常見的一次電池是碳鋅電池。若電解質(zhì)為堿性，這種電池能更加持久耐用。這也就是我們通常在超市購(gòu)買到的堿性電池。處理一次電池的難度在于，我們不能通過(guò)再次充電來(lái)回收利用這些電池。在電池大型化的的今天，回收利用變得愈發(fā)重要，并且頻繁地更換電池也不具備商業(yè)上的可行性。

世界上最早的充電電池之一，鎳鎘電池，同樣使用的是堿性電解質(zhì)。在1989年，鎳氫電池（NiMH）發(fā)明，這種電池?fù)碛斜孺?鎘電池更長(zhǎng)的壽命。這一類電池對(duì)于充電過(guò)量過(guò)熱十分敏感，因此充電功率應(yīng)當(dāng)控制在一個(gè)最大功率之下。不過(guò)設(shè)計(jì)精巧的控制器能夠使充電速度加快，我們也就不需要為了充電苦等幾個(gè)小時(shí)了。

現(xiàn)在的應(yīng)用——像是手機(jī)和筆記本電腦——一直追尋的目標(biāo)就是在盡可能小的空間里儲(chǔ)存盡可能多的能量。隨著單位體積內(nèi)能量的提高，突然放電的危險(xiǎn)性也在上升，但是我們也能夠找到一些應(yīng)對(duì)之法。比如對(duì)于手機(jī)電池，因?yàn)樗容^小巧，所以我們可以通過(guò)在電池中加入限流器來(lái)提高它的安全性。

不過(guò)隨著越來(lái)越多的大型電池投入應(yīng)用，人們會(huì)愈發(fā)關(guān)注這些體積巨大、單元眾多的大型電池的安全問(wèn)題。

時(shí)至今日，絕大多數(shù)的新技術(shù)都要求電池具有更加緊湊的設(shè)計(jì)、更加充沛的電力、更好的安全性，還需要電池能夠充電再利用。

1980年，美國(guó)物理學(xué)教授John Goodenough發(fā)明了一種新型的鋰電池。在這種鋰電池中，鋰能夠在電池中以鋰離子的形式，穿梭于兩個(gè)電極之間。

鋰是周期表中最輕的元素之一，同時(shí)擁有著極強(qiáng)的電化學(xué)勢(shì)，這兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)使得它能夠以最小的體積提供最高的電壓。而這一點(diǎn)正是鋰離子電池的基礎(chǔ)。在這種新電池中，鋰和過(guò)渡金屬（比如鈷，鎳，錳以及鐵）與氧的化合物作為陰極。在外加電壓之后，再次充電開始，帶正電的鋰離子從陰極遷移到石墨材料制成的陽(yáng)極，重新變?yōu)榻饘黉嚒?/p>

因?yàn)榻饘黉囉兄鴺O強(qiáng)的電化學(xué)推動(dòng)力，所以金屬鋰極容易被氧化，它會(huì)遷移至陰極并再次成為鋰離子，將外層電子交給過(guò)渡金屬離子（比如鈷離子）。在這一循環(huán)中的電子移動(dòng)為我們提供了我們所需的電流。

由于過(guò)渡金屬的加入，鋰離子每一個(gè)小單元都能夠提供更高的能量，但是反應(yīng)活性的提高也會(huì)帶來(lái)負(fù)面效果，電池會(huì)更容易受到一種被稱為“熱散逸”現(xiàn)象的影響。

在90年代，索尼生產(chǎn)了一種氧化鋰鈷電池（譯者注：這也是第一款商用鋰離子電池），但是嚴(yán)重的“熱逸散”導(dǎo)致了很多這一型號(hào)的電池著火。如果這一問(wèn)題無(wú)法得到解決，那么為了獲得更好的反應(yīng)活性，使用納米材料制作電池陰極的設(shè)想也就無(wú)從談起了。

這一次，站出來(lái)的依然是Goodenough。他引入了一種由鋰、鐵以及磷酸鹽構(gòu)成的新的鋰離子電池陰極，這種穩(wěn)定的電極是電池技術(shù)的又一大飛躍。伴隨著新電池的不斷發(fā)展，很多新應(yīng)用也應(yīng)運(yùn)而生。從電動(dòng)工具到混合與電動(dòng)力汽車，我們都能夠找到鋰離子電池的影子，或許其中最重要的應(yīng)用，將是為住宅提供家用電能。

在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，領(lǐng)頭羊是有名的Tesla公司。Tesla公司計(jì)劃修建“Giga-plants”（Giga是10的9次方的意思，就是1GB里面的G，來(lái)源于希臘語(yǔ)，巨大的意思），以生產(chǎn)適合用于電動(dòng)汽車的大型電池。

電池設(shè)計(jì)的模塊化或許能夠創(chuàng)造一種新的、可交互的電池模式，這樣的電池既能夠在汽車中使用，也能夠在家居生活中使用，而無(wú)需重新設(shè)計(jì)和組建。或許我們正是一個(gè)時(shí)代的見證者，在這個(gè)時(shí)代里，能源又一次要更新?lián)Q代，而為我們提供能源的未來(lái)大型電池，正是由最初那枚毫不起眼的小電池不斷升級(jí)而來(lái)的。