電池在生活中無處不在 一起看看電池的發明與發展

在生活中，電池無處不在。常見的例子是手機和電腦，現在每個人都離不開智慧型手機，但經常會對智慧型手機電池的續航能力發出抱怨。除了手機和電腦，很多常用的電動工具，年輕人和孩子們的玩具或者機器人，乃至重要的電動汽車，核心都需要用到電池。

除了這些大家耳熟能詳的物品，其實方方面面都需要用電池。比如，有一些病人如果在心臟裡面安裝心臟起搏器，心臟起搏器的電池壽命就和病人的生活質量很有關係，因為電池用完了，就需要再動一次手術專門來替換電池。還有可再生能源，如果想用風能、太陽能或者其他可再生能源，就需要電網有很好的儲能能力。還有太空衛星，這些都需要電池技術。

電池的發明

電池技術這麼重要，它是怎麼發明出來的呢？

第一個跟電池有關的科學發現很早。1786年，在義大利博洛尼亞大學有一個解剖學家叫伽伐尼，他在做青蛙解剖實驗的時候發現,金屬的解剖刀觸碰到青蛙肌肉的時候，青蛙會跳，它的腿會有痙攣的現象。這個發現讓人非常驚訝，他認為這裡有生物電。在公元十八世紀時，人們對電的認識主要來自摩擦起電和自然界的雷電，所以之前跟電有關的現象，皮毛摩擦、萊頓瓶等都是靜電。在青蛙腿上發現跟摩擦生電一樣的現象，在當時的確是令人驚奇的。這個發現在1791年發表以後，引起很大的重視。

比如，它引起了義大利另外一位大學教授伏打的注意。伏打重複並且檢驗伽伐尼的實驗，在重複很多次之後，他想：青蛙腿痙攣的現象，會不會跟生物沒有關係？蛙腿或許只是一個導體？為了證明這個觀點，他把跟生物有關的因素都除去，用兩種不同的金屬來產生電流。的確，最終他用像活潑的鋅和不活潑的銀或銅這樣不同的金屬，浸在有鹽水的紙板裡，產生了持續的電流。這就是人類歷史上第一個電池——伏打電堆。

1800年伏打的這個研究使人們對電的認識從靜電進入到動電。當時徵服了義大利的拿破崙認識到這個研究工作很重要，授予了伏打爵士身份。直至現在我們物理學中電壓的單位「伏特」也是以他的名字命名。當然，這個工作的重要性不僅僅在於得了獎，它為電磁學的出現和發展奠定了基礎。法拉第的電磁感應實驗是在1831年做的，也就是30年以後，如果當初沒有伏打電堆，法拉第就沒有辦法做電磁感應實驗，人類就沒有辦法建立電磁學知識體系。

那麼伽伐尼是不是錯了？實際上伽伐尼相當堅持自己的看法，他認為自己的實驗是沒有問題的，並且做了很長時間實驗來驗證。伏打說電流來自兩種不同的金屬，伽伐尼乾脆去做一個實驗，不用任何金屬，他用青蛙的神經去碰青蛙腿的肌肉，發現青蛙腿還是會痙攣，這說明即使沒有金屬，沒有外界的伏打電堆，生物也會對電信號有反應，還是存在生物電。

所以伽伐尼也是對的。這個現象在經過多年深入研究後，最終產生了現代的電生理學。我們到醫院去做心電圖、腦電圖，都跟電生理學有關，無論美國還是中國，都在研究神經科學、腦科學，這些信號傳輸都是基於人體裡離子產生的電流。可以想像，在十八世紀到十九世紀轉折的階段，伽伐尼和伏打的學術爭論，對於人類知識體系的構建非常有意義，有很大的貢獻。

根據伏打的結論，只要有兩種不同的金屬，有傳導離子的媒介，很多東西都可以做電池，浸了鹽水的紙也可以用來做電池。水果也可以做電池：水果電池。如下圖。

電池的發展

十九世紀以來，很重要的一件事是鉛酸電池的發展，鉛酸電池是1859年發明的，電動自行車等很多場景用的就是鉛酸電池。1990年商業化的鋰離子電池也是一個重要的裡程碑。現在已經有一個龐大的電池家族，除了剛才展示的化學電池，還有太陽能電池、溫差電池、核電池、燃料電池、生物電池，其中像太陽能電池、溫差電池屬於能量轉換裝置，剛才講的化學電池如果是可充電電池，都是儲存式電池。

這樣一個來回移動的過程，為什麼可以儲存能量，這個能量怎麼來的？

來看一下能量空間，用一個水池做類比。左邊是負極，右邊是正極，綠色的像水一樣的就是鋰離子或者電子，初始狀態是充滿能量的。剛開始是放電的過程，這些能量比較高的電子或鋰離子把它的能量放掉，兩個電極之間逐漸拉平，能量逐漸拉平，這是一個自發的過程。充電的時候，則通過外界的電把能量儲存進去，鋰離子和電子的勢能增加，就把能量充進去。這樣一個充放電的過程，電子和離子在不同的位置，但是它的能量有升高和降低，這就是整個鋰離子電池儲存能量的工作原理。

知道這個原理之後，再來看看這麼多鋰離子電池，它是怎麼被生產出來的？

這個視頻最初來自美國西北太平洋國家實驗室。鋰離子電池生產的第一道工序是混漿，把活性電極材料、導電添加劑、黏合劑都混在一起，這裡有一個攪拌機，把它攪拌成均勻分散的漿料。第二步是塗布，把黑乎乎的漿料塗到極片的集流體上。第三步是裁剪，把塗好的極片裁剪成所需要的形狀。

這個是極耳，極片的耳朵，是把電引出來的地方，極耳是很多時候電池出問題的原因，大家知道前些年三星手機電池爆炸，經過詳細的調查以後，發現問題就出在極耳有短路的可能性，最終導致電池爆炸。

下一步就是這些電池要疊片，剛才講到電壓不夠的時候我就把它疊的多一點，實際上在電池裡面也是一樣的，在內部也需要把更多的電能儲存進去，所以要疊很多的片。第五步就是把疊好的片子放到一個外包的殼裡面，裝成一個袋子。第六步注液就是把電解液裝到這個袋子裡面去，這個電解液是離子傳導的媒介，就像剛才水果電池裡的媒介檸檬一樣。最後把電池封裝起來，拿去做測試或者使用。

可以看到，在一個工廠裡面，電池的生產步驟牽涉到很多，從材料、設備、工藝到自動化控制。

前沿電池研究在做什麼

當前電池研究在做什麼？大家已經看到，可以通過自動化工廠生產很多電池，那麼現在的電池還有些什麼問題，為什麼還要做研究？

第一個研究方向是提高電池能量密度。大家如果自己開電動汽車，經常碰到裡程焦慮，眼看電池顯示快沒電了，但是還沒有到下一個充電站，就會有裡程焦慮。看一個典型的例子，一個五座的小汽車，車重大約900公斤，如果續航裡程需要達到500公裡，估算需要400多公斤的電池，也就是說電池會佔車重的二分之一到三分之一，對整個交通工具來說，它的能量效率是不高的。所以希望電池的能量密度更高，單位體積的材料能夠容納的鋰離子更多，正負極之間的電壓越高，電池的能量密度就越高。車身的重量越小，電動車的續航越長，所以這是一個非常重要的方向。但是去做到更高的能量密度還要兼顧到安全性，鄭老師剛才提到TNT，能量密度最高的時候就是炸藥了。

第二個研究方向是提高電池的安全性。這張照片是特斯拉的汽車在行駛的過程中，碰到了地上一個尖銳的突起，造成了嚴重的安全事故。

大家知道特斯拉的電池是做在底盤上的，雖然做了安全性能防護，但是在這個事故當中，它的電池被尖銳的突起扎穿，相當於造成了電池短路，最終使電池起火，所以電池的安全性很重要。這是實驗室做的一個安全性測試，用兩個相同能量密度（205Wh/kg）的電池進行針刺實驗，一個是沒有經過處理的電池，一個是經過材料改進以後的電池，沒有處理的電池發生了嚴重的燃爆，這個電池是10Ah，一輛普通的乘用車大概有400-500個這樣的電池。

所以大家可以想像，如果發生短路或者撞擊到尖銳物體等極端情況，安全性不好的電池實際上是很危險的，這也是為什麼要不斷提升它的能量密度，但同時也提升它的安全性的原因，這是電池的一個重要研究方向。

未來還需要研發什麼樣的電池？需要把電池工業做的更加綠色、更加環保、更加低成本。剛才演示的這些電池，都需要用到鋰元素、鈷元素、鎳元素，在元素周期表上可以看到金屬鋰分布不高，鈷和鎳都屬於比較稀有的元素，它們的儲量很有限。像金屬鈷，在整個地球上主要出產於剛果金，這是一個政治上不太穩定的國家，所以金屬的來源有問題。因此，電池領域都在開發含有其他元素，像鈉、鎂、鈣、鋁這些儲藏分布更豐富的材料所做的電池，甚至利用有機材料、綠色生物質材料來做電池。

電池研發其實有很多高大上的研究工具。中國的散裂中子源在廣東東莞，中國是繼美國、日本、英國以後第四個有散裂中子源的國家，有意思的是散裂中子源上的第一個實驗數據和第一篇發表的論文，都是跟鋰電池有關的。還有上海光源，包括同步輻射光源和自由電子雷射器，以及歐洲的同步輻射光源，蘇州的真空互聯大裝置上有一個鋰電的研究平臺，還有日本的超級光源spring-8。大家可以看到這些電池研究，未來也會用到有趣的、最先進的工具。

電池技術，可以使人類生活更加綠色

電能無論是使用還是傳輸，都需要一個比較穩定的負荷負載。但風能和太陽能是間歇性的，有時候有雲飄過來，發電的量就少，所以怎麼使這些電網更加穩定？就需要有強大的電池進行儲能的削峰填谷（註：削峰填谷是調整用電負荷的一種措施，使發電、用電趨於平衡）。所以未來需要運用儲能的裝置，電動汽車也可以作為分布式的儲能裝置，整合到整個智能電網裡面。

除了可再生能源，未來的人類社會也會更加智能，現在大家都講5G物聯網的應用，講人工智慧和超級計算等。實際上很多移動的裝置，家庭智能家居，在路上車子互相之間會有信息的溝通和交流，未來整個地球都會互聯在一起。不僅是能源的互聯，也是信息的互聯，所有在互聯的物體、器件，都需要電池，沒有電池就不能工作， 電池可以使未來更加綠色、更加智能、更加移動。

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