电池

电池发展简史

电池发明的灵感来源

发展历程

1746年

1780年

1799年

1836年

19世纪中期

1887年

1890年

1991年

20世纪到21世纪

新势力

使用便捷度

电池的历史可以追溯到两千多年前的古伊拉克时代。是在首都巴格达发现的素烧陶壶（巴格达电池）它是一种使用铜和铁的电池。考古者发现的物品被认为是至今发现的最早的电池证据。而现代真正作为化学能的储藏体，根据人们的需要可控制地放出电能的装置在当时称为Volta Pile（伏打电堆）。第一块真正意义上的现代电池由意大利化学家亚历山德罗·朱塞佩·安东尼奥·阿纳斯塔西奥·伏打发明。

 

 

目前已知的全球第一个电池

2019年诺贝尔化学奖，授予了三位“为锂电池作出巨大贡献”的科学家，分别是约翰·B·古迪纳夫（John B.Goodenough）、M·斯坦利·威廷汉（M. Stanley Whittingham）和吉野彰（Akira Yoshino）。

 

电池

电池的基本原理即是用“活性较高”的金属材料制作阳极（即负极-），而用较为稳定的材料制作阴极（即正极+），阳极材料由于库仑力的原因丢失电子（还原反应），流向阴极使其获得电子（氧化反应），而电池内部（电解液）则发生阴极的阴离子流向阳极与阳离子结合，由此形成回路，产生电能。

 

也正是因为这种流动本质上是化学反应，所以遵循能量守恒定律。如果对外部用电器（手机、相机等耗电物品）做功了，也就意味着反应产生的能量被用电器“吸收”了，达到相对的平衡。如果没有用电器，但是回路接通，就意味着能量无处可用，将会变成热能，且速度非常快，因为电子移动的速度与光速相同，也就是为什么电池发生短路时会剧烈发热甚至燃烧爆炸。

 

一旦电池内部化学能量消耗完毕，则电池就没用了。所以可充电的电池，即是能够通过外部通电将内部的化学反应“还原”（归位），也就需要选择特别的材料和设计，能够“完美”恢复原样，使得电池重新获得化学能量。

 

 

图 1.2 伏特堆电池

电池发展简史

意大利解剖学家伽伐尼肖像。他因为在解剖青蛙时发现了“生物电”而著名。发明灵感源自青蛙腿。

 

电池发明的灵感来源

电池的诞生，基于人们对于获取持续而稳定的电流的需要。不过，电池的发明，是来源于一次青蛙的解剖实验所产生的灵感，多少有些偶然。

 

1780年的一天，意大利解剖学家伽伐尼(Luigi Galvani)在做青蛙解剖时，两手分别拿着不同的金属器械，无意中同时碰在青蛙的大腿上，青蛙腿部的肌肉立刻抽搐了一下，仿佛受到电流的刺激，而如果只用一种金属器械去触动青蛙，就无此种反应。伽伐尼认为，出现这种现象是因为动物躯体内部产生的一种电，他称之为“生物电”。

 

伽伐尼的发现引起了物理学家们的极大兴趣，他们竞相重复伽伐尼的实验，企图找到一种产生电流的方法。而意大利物理学家伏特(Alessandro Volta)在多次实验后则认为：伽伐尼的“生物电”之说并不正确，青蛙的肌肉之所以能产生电流，大概是肌肉中某种液体在起作用。为了论证自己的观点，伏特把两种不同的金属片浸在各种溶液中进行试验。结果发现，这两种金属片中，只要有一种与溶液发生了化学反应，金属片之间就能够产生电流。

 

1799年，伏特把一块锌板和一块银板浸在盐水里，发现连接两块金属的导线中有电流通过。于是，他就把许多锌片与银片之间垫上浸透盐水的绒布或纸片，平叠起来。用手触摸两端时，会感到强烈的电流刺激。伏特用这种方法成功制成了世界上第一个电池“伏特电堆”。这个“伏特电堆”实际上就是串联的电池组。

 

实际上，只要有两种金属浸泡在某种溶液中，就有可能产生电池作用。曾经接受过金属补牙手术的朋友们都会发现，用舌头舔补牙的金属，会感到“麻麻”的感觉，就是因为补牙用的多种金属产生了电池作用。

 

1836年，英国的丹尼尔对“伏特电堆”进行了改良，又陆续有效果更好的“本生电池”和“格罗夫电池”等问世。然而在当时，无论哪种电池都需在两个金属板之间灌装液体，搬运很不方便，特别是蓄电池所用液体是硫酸，在挪动时很危险。

 

发展历程

1746年

1746年，荷兰莱顿大学的马森布罗克在发明了收集电荷的“莱顿瓶”。因为他看到好不容易收集的电却很容易地在空气中逐渐消失，他想寻找一种保存电的方法。

 

有一天，他用一支枪管悬在空中，用起电机与枪管连着，另用一根铜线从枪管中引出，浸入一个盛有水的玻璃瓶中，他让一个助手一只手握着玻璃瓶，马森布罗克在一旁使劲摇动起电机。

 

这时他的助手不小心将中另一只手与枪管碰上，他猛然感到一次强烈的电击，喊了起来。

 

1780年

1780年，意大利解剖学家伽伐尼（Luigi Galvani）在做青蛙解剖时，两手分别拿着不同的金属器械，无意中同时碰在青蛙的大腿上，青蛙腿部的肌肉立刻抽搐了一下，仿佛受到电流的刺激，而如果只用一种金属器械去触动青蛙，就无此种反应。

 

伽伐尼认为，出现这种现象是因为动物躯体内部产生的一种电，他称之为“生物电”。

 

伽伐尼的发现引起了物理学家们极大兴趣的，他们竞相重复枷伐尼的实验，企图找到一种产生电流的方法，意大利物理学家伏特在多次实验后认为：伽伐尼的“生物电”之说并不正确，青蛙的肌肉之所以能产生电流，大概是肌肉中某种液体在起作用。

 

为了论证自己的观点，伏特把两种不同的金属片浸在各种溶液中进行试验。结果发现，这两种金属片中，只要有一种与溶液发生了化学反应，金属片之间就能够产生电流。

 

1799年

1799年，意大利物理学家伏特把一块锌板和一块锡板浸在盐水里，发现连接两块金属的导线中有电流通过。于是，他就把许多锌片与银片之间垫上浸透盐水的绒布或纸片，平叠起来。用手触摸两端时，会感到强烈的电流刺激。

 

伏特用这种方法成功地制成了世界上第一个电池——“伏特电堆”。这个“伏特电堆”实际上就是串联的电池组。它成为早期电学实验，电报机的电力来源。

 

1836年

1836年，英国的丹尼尔对“伏特电堆”进行了改良。他使用稀硫酸作电解液，解决了电池极化问题，制造出第一个不极化，能保持平衡电流的锌—铜电池此后，这些电池都存在电压随着使用时间延长而下降的问题。

 

当电池使用一段时间后电压下降时，可以给他通以反向电流，使电池电压回升。因为这种电池能充电，可以反复使用，所以称它为“蓄电池”。

 

19世纪中期

干电池的鼻祖在19世纪中期诞生。1860年，法国的雷克兰士(George Leclanche)发明了碳锌电池，这种电池更容易制造，且最初潮湿水性的电解液逐渐用黏浊状类似糨糊的方式取代，于是装在容器内时，“干”性的电池出现了。

 

1887年，英国人赫勒森(Wilhelm Hellesen)发明了最早的干电池。相对于液体电池而言，干电池的电解液为糊状，不会溢漏，便于携带，因此获得了广泛应用。

 

如今，干电池已经发展成为一个庞大的家族，种类达100多种。常见的有普通锌-锰干电池、碱性锌-锰干电池、镁-锰干电池等，不过，最早发明的碳锌电池依然是现代干电池中产量最大的电池。在干电池技术的不断发展过程中，新的问题又出现了。人们发现，干电池尽管使用方便，价格低廉，但用完即废，无法重新利用。另外，由于以金属为原料容易造成原材料浪费，废弃电池还会造成环境污染。于是，能够经过多次充电放电循环，反复使用的蓄电池成为新的方向。

 

事实上，蓄电池的最早发明同样可以追溯到1860年。当年，法国人普朗泰(Gaston Plante)发明出用铅做电极的电池。这种电池的独特之处是当电池使用一段时间电压下降时，可以给它通以反向电流，使电池电压回升。因为这种电池能充电，并可反复使用，所以称它为“蓄电池”。

 

1887年

1887年，英国人赫勒森发明了最早的干电池。干电池的电解液为糊状，不会溢漏，便于携带，因此获得了广泛应用。

 

1890年

1890年，爱迪生发明可充电的铁镍电池，1910年可充电的铁镍电池商业化生产。如今，充电电池的种类越来越丰富，形式也越来越多样，从最早的铅蓄电池，铅晶蓄电池，到铁镍蓄电池以及银锌蓄电池，发展到铅酸蓄电池、太阳能电池以及锂电池等等。与此同时，蓄电池的应用领域越来越广，电容越来越大，性能越来越稳定，充电越来越便捷。

 

1991年

1991年，索尼公司推出了第一款商业锂离子电池（阳极为石墨，阴极为锂化合物，电极液为锂盐溶于有机溶剂），由于锂电池的高能量密度和配方不同能够适应不同使用环境的特点，被现在广泛使用。

 

20世纪到21世纪

1910年可充电的铁镍电池商业化生产。

1911年我国建厂生产干电池和铅酸蓄电池（上海交通部电池厂）。

1914年爱迪生发明碱性电池。

1934年发明镍镉电池烧结极板。

1947年开发出密封镍镉电池。

1949年开发出小型碱性电池。

1954年开发出太阳能电池。

1956年制造第一个9伏电池。

1956年我国建设第一个镍镉电池工厂。

1960前后Union Carbide.商业化生产碱性电池，我国开始研究碱性电池（西安庆华厂等三家合作研发）。

1970前后出现免维护铅酸电池。

1970前后一次锂电池实用化。

1976年Philips Research的科学家发明镍氢电池。

1980前后开发出稳定的用于镍氢电池的合金。

1983年我国开始研究镍氢电池（南开大学）。

1987年我国改进镍镉电池工艺，采用发泡镍，电池容量提升40％。

1987前我国商业化生产一次锂电池。

1989年我国镍氢电池研究列入国家计划。

1990前出现角型（口香糖型）电池。

太阳能电池板。

1990前后镍氢电池商业化生产。

1991年Sony发明了可充电的锂离子电池。

1992年Battery Technologies, Inc.生产碱性充电电池。

1995年我国镍氢电池商业化生产初具规模。

1999年可充电锂聚合物电池商业化生产。

2000年我国锂离子电池商业化生产。

新势力

纯电力汽车这个领域，锂离子电池和燃料电池成为最令人瞩目的明星。

 

从上面的故事可以看出，整个电池的发展史也可以说是一个“试试各种金属能不能造电池”的历史。现在电池界最红的金属是“锂”。锂是所有金属里最轻的，比水还轻，而且特别活泼，需要保存在石蜡里。实际上，当初爱迪生就曾经发明过锂电池，但是由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高，所以锂电池长期没有得到应用。现在，人们对电池“求贤若渴”，这些问题也就不是问题了。恰好锂电池具有能量重量比高、电压高、自放电小、可长时间存放等优点，所以它在近30年中取得了巨大发展。我们用的计算机、计算器、照相机、手表中的电池都是锂电池。

 

锂电池组装完成后电池即有电压，不需充电。这种电池也可以充电，但循环性能不好，在充放电循环过程中，容易形成锂枝晶，造成电池内部短路，所以一般情况下这种电池是禁止充电的。后来，索尼公司发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物做正极，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。

锂离子电池的优势十分明显：工作电压高、体积小、质量轻、能量高、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长，成为最适用于电动汽车的电池之一。锂离子电池通过锂离子在正负极之间跑来跑去来充电和放电。这个领域最牛的技术是“层叠电池结构”，也就是把好多个电池做成很薄的层然后叠在一起，这样可以用很小的体积达到很高的效率，在这方面日产汽车公司走在行业的最前面。

 

使用便捷度

为了提高使用便捷度，目前很多锂电汽车都可以使用普通家庭电压充电，但充电时间长达数小时。若要大规模推广锂电池汽车，建立相应的快速充电站仍然必不可少。不过今年3月份，日本研究人员已研发出一种新型“锂-空气”电池，无需充电，只需更换正极的水性电解液，通过卡盒等方式更换负极的金属锂就可以连续使用。也就是说，充电的设施更像添加物体的“加油站”，而不是带着大插销的“充电站”。

 

除了电池以外，人们还想出了各种给电动车蓄能的方式，比如曾经有人想过用转速奇快的飞轮来蓄能。但这个飞轮一旦破碎，就变成了炸弹，所以不靠谱。现在主要研究方向还是用电池。除了锂离子电池，还有一种电池很有前途，就是“燃料电池”，它是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。其中最实用的是使用氢或含富氢的气体燃料的燃料电池。

 

电池已经诞生了200多年，现在仍然在前进。无论是过去还是现在，电池的目标都没有改变：随时随地让人享受电能的巨大恩惠。