電池是一項(xiàng)偉大的發(fā)明，擁有精彩而悠久的歷史，也將擁有同樣璀璨的未來。

自從公元前250年被發(fā)明以來，電池已經(jīng)走過了一段漫長的旅程。

Flickr/Patty,CCBY-NC-SA

電池，從本質(zhì)上來說，就是一種能夠?qū)Υ娴幕瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備。基本上，電池就是一個小型化學(xué)反應(yīng)器，通過反應(yīng)出現(xiàn)高能電子，用以注入外部設(shè)備之中。

電池出現(xiàn)的時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)米亞文明時期的造物。

這枚最早的電池引發(fā)了很多的爭論。有關(guān)它的用途，人們眾說紛紜，可能的假說包括用于電鍍，止痛或者是人們通過與之接觸時的刺痛感，來出現(xiàn)宗教體驗(yàn)。

美國發(fā)明家本杰明?富蘭克林在1749年首次使用了“Battery”這一詞語。當(dāng)時他使用了一組串聯(lián)的電容器來進(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AlessandroVolta于1800年發(fā)明的。他通過在一枚銅片和一枚鋅片中間夾上浸有鹽水的布片構(gòu)筑成一個小單元，再將這些小單元堆疊起來，就得到了“伏打電堆”。

導(dǎo)線將電堆的兩端連接起來，就能夠出現(xiàn)穩(wěn)定的電流。每一個小單元能夠出現(xiàn)0.76伏特（V）的開路電壓。通過將這些小單元串聯(lián)，我們能夠得到電壓相當(dāng)于每一個小單元電壓的總和。

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。

汽車電池。Flickr/AsimBharwani,CCBY-NC-ND

時至今日，電池的尺寸可大可小，大至兆瓦級別，用于儲存太陽能電廠或是變電站的電力，以保證某一區(qū)域穩(wěn)定的能源供應(yīng)；小至紐扣大小，為你佩戴的電子手表供應(yīng)動力。

不同的電池基于不同的化學(xué)反應(yīng)，這也使得每一個不同的小單元有著不同的開路電壓，通常在1.0至3.6V之間。通過串聯(lián)這些小單元，我們能夠新增電壓；而并聯(lián)這些小單元則能夠增強(qiáng)電流。這一規(guī)律被我們用來新增電壓和電流，以供應(yīng)我們所要的電流和電壓，即便是兆瓦級別的電池，它的電壓和電流也是通過這個最基本規(guī)律得到的。

現(xiàn)在人們預(yù)測，電池技術(shù)將再次迎來一次飛躍。新的電池模型將能夠從家用太陽能和風(fēng)能裝置中獲取足夠的能量，并有足夠的容量將其儲存，在合適的時間（通常是夜晚）為一整個家庭供應(yīng)未來數(shù)天所需的電力。

電池是如何工作的

當(dāng)化學(xué)反應(yīng)開始時，額外的電子被釋放出來，電池即開始放電。額外電子釋放的一個例子是在鐵氧化生銹的過程中，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)勢不同的金屬或是化合物用一層多孔絕緣體隔開。化學(xué)勢即是儲存于原子與化學(xué)鍵之間的能量，當(dāng)電子能夠自由地在連接的外部設(shè)備中移動的時候，這些能量能夠傳遞給那些運(yùn)動的電子。

鹽水這樣的導(dǎo)電液體常常被用來傳輸可溶解的離子，在反應(yīng)過程中，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)。

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

一次電池vs充電電池

出現(xiàn)電流之后，有些電池的狀態(tài)無法逆轉(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買到的堿性電池。

我們在日常生活中常用的堿性電池。Flickr/SimonGreig,CCBY-NC-SA

處理一次電池的難度在于，我們不能通過再次充電來回收利用這些電池。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?鎘電池更長的壽命。

這一類電池有關(guān)充電過量過熱十分敏感，因此充電功率應(yīng)當(dāng)控制在一個最大功率之下。不過設(shè)計(jì)精巧的控制器能夠使充電速度加快，我們也就不要為了充電苦等幾個小時了。

充電電池能夠多次使用。Flickr/BrianJMatis,CCBY-NC-SA

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，突然放電的危險性也在上升，但是我們也能夠找到一些應(yīng)對之法。比如有關(guān)手機(jī)電池，因?yàn)樗容^小巧，所以我們可以通過在電池中加入限流器來提高它的安全性。

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

第一次飛躍：鋰離子電池

時至今日，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，還要電池能夠充電再利用。

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

鋰是周期表中最輕的元素之一，同時擁有著極強(qiáng)的電化學(xué)勢，這兩點(diǎn)優(yōu)勢使得它能夠以最小的體積供應(yīng)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)推動力，所以金屬鋰極容易被氧化，它會遷移至陰極并再次成為鋰離子，將外層電子交給過渡金屬離子（比如鈷離子）。在這一循環(huán)中的電子移動為我們供應(yīng)了我們所需的電流。

第二次飛躍：納米技術(shù)

由于過渡金屬的加入，鋰離子每一個小單元都能夠供應(yīng)更高的能量，但是反應(yīng)活性的提高也會帶來負(fù)面效果，電池會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)致了很多這一型號的電池著火。假如這一問題無法得到解決，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)想也就無從談起了。

這一次，站出來的依然是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。從電動工具到混合與電動力汽車，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，將是為住宅供應(yīng)家用電能。

無線電動工具的出現(xiàn)要感謝充電電池的進(jìn)步。Flickr/PeoplesNetwork,CCBY-NC

電動汽車

在電動汽車領(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，來源于希臘語，巨大的），以生產(chǎn)適合用于電動汽車的大型電池。

TeslaModelS型汽車裝備的鋰離子電池電池組容量已經(jīng)達(dá)到驚人的85千瓦時。

這樣的電池組容量，已經(jīng)足夠一個普通家庭的要了，也正因?yàn)槿绱耍蠹矣嘘P(guān)Tesla公司創(chuàng)始人ElonMusk公布的新產(chǎn)品有了如此之多的猜想。

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，而無需重新設(shè)計(jì)和組建。

或許我們正是一個時代的見證者，在這個時代里，能源又一次要更新?lián)Q代，而為我們供應(yīng)能源的未來大型電池，正是由最初那枚毫不起眼的小電池不斷升級而來的。

（作者：JoseAlarco，昆士蘭大學(xué)教授PeterTalbot，昆士蘭大學(xué)教授譯者：黃琦審校：李想）