电池技术的历史：

储能的演变

日常生活中的电池

电池在日常生活中无处不在，几乎无法想象移动储能还不存在的时代。对于手电筒、收音机或遥控器等便携式电子设备，全球每年售出超过 150 亿块一次性电池，而且这一趋势还在继续上升。然而，用于相机、手机和笔记本电脑等数字设备的可充电电池技术近年来取得了巨大的发展，同时生产水平也大幅提高。也许电池技术的最大飞跃，对全球生态系统的未来特别重要，来自混合动力汽车和电动汽车形式的汽车行业——其中大部分都配备了锂离子电池。

 

原电池

Luigi Galvani 于 1780 年为现代电池的发明奠定了基础，他是一位意大利医生，无意中发现两种不同金属接触时肌肉会收缩。通过他的“蛙腿实验”，伽伐尼无意间形成了“原电池”的基础。

 

两种不同的电极（两种金属）和电解质（青蛙腿中的水）的组合产生了电路。基于这些知识，Allesandro Volta 于 1800 年发明了伏特柱。几个“原电池”以三明治排列的方式堆叠在一起。每个电池都由铜片和锌片以及浸泡在盐水中的硬纸板组成。用电线连接最上面和最下面的电池，形成了连续流动的电路。柱子上的电池越多，电压就越高——现代电池的前身由此诞生。

 

Luigi Galvani 于 1780 年发现的原电池

1800 年 Allesandro Volta 发明的伏打柱。

左图：原电池的解剖图，原电池由通过外部导线和盐桥连接的两个半电池组成。来源：https ://glossary.periodni.com 右图：伏打柱，由数个原电池堆叠在一起组成，由 Allesandro Volta 于 1800 年发明。

铅酸电池

1801 年，物理学家约翰·威廉·里特 (Johann Wilhelm Ritter) 进一步开发了原电池，使它们可以在放电后重新充电。借助这项创新和铅板的使用，Wilhelm Josef Sinsteden 发明了铅酸蓄电池。1859 年，加斯顿·普兰特 (Gaston Planté) 对此进行了改进，成为铅酸电池，这被认为是第一个可充电电池。其整体结构和电池排列仍然可以在当前的铅酸电池或铅酸蓄电池中找到。

 

来自英国科学博物馆集团的 Planté 可充电铅酸电池

1860 年推出的 Planté 可充电铅酸电池是第一个实用的蓄电池。

托马斯·爱迪生的镍铁碱性蓄电池

托马斯爱迪生在 1900 年代初期开发的镍铁蓄电池。

碱性电池

Waldemar Jungner（1899 年）和 Thomas Edison（1901 年）各自独立开发了一种使用碱性电解液（而非酸性电解液）的镍铁电池。新设计可以连续使用，特别耐用。占美国电池制造80%的碱性电池在接下来的半个世纪里没有取得重大进展，直到加拿大工程师Lewis Urry发明了锌-二氧化锰电池。在 1950 年代，美国消费者为最新的时尚——晶体管收音机寻找寿命更长的电池，加速了这项新技术的采用。在他的工作中，厄里意识到氧化锰和锌粉与碱性物质的结合可以大大延长电池的保质期，

 

镍氢电池

在 1990 年代初期，Stanford Ovshinsky 创造了一种镍金属氢化物 (NiMH) 电池，在其制造过程中不再需要镉等有毒金属。通过使用吸氢合金代替镉，镍氢电池的容量是同尺寸镍镉电池的2-3倍。这项创新提供了高能量密度、长寿命、高功率和耐用性，以及以前从未见过的电池的快速充电能力。这项新技术成为早期混合动力电动汽车的行业标准，至今仍在许多车辆中使用，包括著名的丰田普锐斯。然而，在过去十年中，镍氢电池在很大程度上已被更强大、更紧凑和更耐用的发明——锂离子电池所取代。

 

锂离子电池

锂离子电池的创造是导致我们今天所知的设计的发现的组合。2019 年诺贝尔化学奖授予三位科学家，以表彰他们在开发这项改变世界的技术方面所做的工作：John B. Goodenough、M. Stanley Whittingham 和 Akira Yoshino。在 20 世纪 70 年代为埃克森美孚工作时，英国化学家 Stanley Whittingham 尝试使用二硫化钛和锂金属作为电极。这被证明是不稳定的，埃克森停止了研究。80年代，美国工程学教授John B. Goodenough用钴酸锂代替二硫化钛作为阴极，使电池能量潜力翻了一番，但并没有解决安全问题。最后，在 Goodenough 的发现五年后，名古屋名城大学的 Akira Yoshino，日本试验用石油焦代替活性锂金属作为阳极。去掉锂金属后，电池性能和安全性显着提高，第一个原型锂离子电池诞生了。

 

索尼于 1991 年开发出第一款商用可充电锂离子电池，一夜成名。公司领先的电子产品之一，手持摄像机，只有锂离子电池才有可能，因为以前的电池对于手持使用来说太笨重了。竞争对手很快效仿，也开始将锂离子电池用于笔记本电脑、手机，最近还用于汽车。如今，几乎没有任何电子设备像电池一样被频繁使用，或者对人类行为产生如此深刻的影响。全球各地的研究人员继续探索制造更安全、更强大、使用寿命更长的锂离子电池的方法。如果我们要加速向无碳社会的过渡，在电动汽车等领域的应用仍有很大的改进空间，