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一枚电池的前世今生:电池的发展与未来
2015-06-04  | 【】【打印】【关闭

    发布时间:2015-05-22 14:20 来源:环球科学(huanqiukexue.com)  

电池是一项伟大的发明,拥有精彩而悠久的历史,也将拥有同样璀璨的未来。

  自从公元前250年被发明以来,电池已经走过了一段漫长的旅程。Flickr/Patty, CC BY-NC-SA 

  电池,从本质上来说,就是一种能够将储存的化学能转化为电能的设备。基本上,电池就是一个小型化学反应器,通过反应产生高能电子,用以注入外部设备之中。 

  电池出现的时间之早超出了我们的想象。1938年,巴格达博物馆主任在该博物馆的地下室中,找到了现在被称为“巴格达电池”的原始电池。分析表明,这一原始电池可以追溯到公元前250年,属于美索不达米亚文明时期的造物。

  这枚最早的电池引发了很多的争论。对于它的用途,人们众说纷纭,可能的假说包括用于电镀,止痛或者是人们通过与之接触时的刺痛感,来产生宗教体验。

  美国发明家本杰明•富兰克林在1749年首次使用了“Battery”这一词语。当时他使用了一组串联的电容器来进行电学实验。

  真正意义上的现代电池是由意大利物理学家Alessandro Volta于1800年发明的。他通过在一枚铜片和一枚锌片中间夹上浸有盐水的布片构筑成一个小单元,再将这些小单元堆叠起来,就得到了“伏打电堆”。

  导线将电堆的两端连接起来,就能够产生稳定的电流。每一个小单元能够产生0.76伏特(V)的开路电压。通过将这些小单元串联,我们能够得到电压相当于每一个小单元电压的总和。

  铅蓄电池是目前已知最持久的电池之一,它发明于1859年,现在仍然用于大多数内燃机汽车的点火。它也是最早的可重复充电的电池。

  汽车电池。Flickr/Asim Bharwani, CC BY-NC-ND 

  时至今日,电池的尺寸可大可小,大至兆瓦级别,用于储存太阳能电厂或是变电站的电力,以保证某一区域稳定的能源供应;小至纽扣大小,为你佩戴的电子手表提供动力。

  不同的电池基于不同的化学反应,这也使得每一个不同的小单元有着不同的开路电压,通常在1.0至3.6V之间。通过串联这些小单元,我们能够增加电压;而并联这些小单元则能够增强电流。这一规律被我们用来增加电压和电流,以提供我们所需要的电流和电压,即便是兆瓦级别的电池,它的电压和电流也是通过这个最基本规律得到的。

  现在人们预测,电池技术将再次迎来一次飞跃。新的电池模型将能够从家用太阳能和风能装置中获取足够的能量,并有足够的容量将其储存,在合适的时间(通常是夜晚)为一整个家庭提供未来数天所需的电力。

  电池是如何工作的 

  当化学反应开始时,额外的电子被释放出来,电池即开始放电。额外电子释放的一个例子是在铁氧化生锈的过程中,铁与氧气发生反应,将电子释放给氧气,形成铁的氧化物。

  标准的电池构造是将两块化学势不同的金属或是化合物用一层多孔绝缘体隔开。化学势即是储存于原子与化学键之间的能量,当电子能够自由地在连接的外部设备中移动的时候,这些能量能够传递给那些运动的电子。

  盐水这样的导电液体常常被用来传输可溶解的离子,在反应过程中,这些离子在溶液中可以从一种金属的表面转移到另一种金属的表面,我们通常称这样的导电液体为电解质。

  在放电过程中,失去电子的金属或化合物被称为阳极,得到电子的金属或化合物被称为阴极。在外电路中,电子流从阳极流向阴极,这就是我们用以驱动电力设备的“电流”。

  一次电池vs充电电池 

  产生电流之后,有些电池的状态无法逆转,我们将这种电池称为一次电池。当反应物之一消耗殆尽,这种电池便无法再使用了。

  最常见的一次电池是碳锌电池。若电解质为碱性,这种电池能更加持久耐用。这也就是我们通常在超市购买到的碱性电池。

我们在日常生活中常用的碱性电池。Flickr/Simon Greig, CC BY-NC-SA 

 

  处理一次电池的难度在于,我们不能通过再次充电来回收利用这些电池。在电池大型化的的今天,回收利用变得愈发重要,并且频繁地更换电池也不具备商业上的可行性。

  世界上最早的充电电池之一,镍镉电池,同样使用的是碱性电解质。在1989年,镍氢电池(NiMH)发明,这种电池拥有比镍-镉电池更长的寿命。

  这一类电池对于充电过量过热十分敏感,因此充电功率应当控制在一个最大功率之下。不过设计精巧的控制器能够使充电速度加快,我们也就不需要为了充电苦等几个小时了。

  

  

 
充电电池能够多次使用。Flickr/Brian J Matis, CC BY-NC-SA 

  现在的应用——像是手机和笔记本电脑——一直追寻的目标就是在尽可能小的空间里储存尽可能多的能量。随着单位体积内能量的提高,突然放电的危险性也在上升,但是我们也能够找到一些应对之法。比如对于手机电池,因为它比较小巧,所以我们可以通过在电池中加入限流器来提高它的安全性。

  不过随着越来越多的大型电池投入应用,人们会愈发关注这些体积巨大、单元众多的大型电池的安全问题。

  第一次飞跃:锂离子电池 

  时至今日,绝大多数的新技术都要求电池具有更加紧凑的设计、更加充沛的电力、更好的安全性,还需要电池能够充电再利用。

  1980年,美国物理学教授John Goodenough发明了一种新型的锂电池。在这种锂电池中,锂能够在电池中以锂离子的形式,穿梭于两个电极之间。

  锂是周期表中最轻的元素之一,同时拥有着极强的电化学势,这两点优势使得它能够以最小的体积提供最高的电压。

  而这一点正是锂离子电池的基础。在这种新电池中,锂和过渡金属(比如钴,镍,锰以及铁)与氧的化合物作为阴极。在外加电压之后,再次充电开始,带正电的锂离子从阴极迁移到石墨材料制成的阳极,重新变为金属锂。

  因为金属锂有着极强的电化学推动力,所以金属锂极容易被氧化,它会迁移至阴极并再次成为锂离子,将外层电子交给过渡金属离子(比如钴离子)。在这一循环中的电子移动为我们提供了我们所需的电流。

  第二次飞跃:纳米技术 

  由于过渡金属的加入,锂离子每一个小单元都能够提供更高的能量,但是反应活性的提高也会带来负面效果,电池会更容易受到一种被称为“热散逸”现象的影响。

  在90年代,索尼生产了一种氧化锂钴电池(译者注:这也是第一款商用锂离子电池),但是严重的“热逸散”导致了很多这一型号的电池着火。如果这一问题无法得到解决,那么为了获得更好的反应活性,使用纳米材料制作电池阴极的设想也就无从谈起了。

  这一次,站出来的依然是Goodenough。他引入了一种由锂、铁以及磷酸盐构成的新的锂离子电池阴极,这种稳定的电极是电池技术的又一大飞跃。

  伴随着新电池的不断发展,很多新应用也应运而生。从电动工具到混合与电动力汽车,我们都能够找到锂离子电池的影子,或许其中最重要的应用,将是为住宅提供家用电能。

  无线电动工具的出现要感谢充电电池的进步。Flickr/People s Network, CC BY-NC 

  电动汽车 

  在电动汽车领域,领头羊是有名的Tesla公司。Tesla公司计划修建“Giga-plants”(Giga是10的9次方的意思,就是1GB里面的G,来源于希腊语,巨大的),以生产适合用于电动汽车的大型电池。

  Tesla Model S型汽车装备的锂电池电池组容量已经达到惊人的85千瓦时。

  这样的电池组容量,已经足够一个普通家庭的需要了,也正因为如此,大家对于Tesla公司创始人Elon Musk发布的新产品有了如此之多的猜想。

  电池设计的模块化或许能够创造一种新的、可交互的电池模式,这样的电池既能够在汽车中使用,也能够在家居生活中使用,而无需重新设计和组建。

  或许我们正是一个时代的见证者,在这个时代里,能源又一次要更新换代,而为我们提供能源的未来大型电池,正是由最初那枚毫不起眼的小电池不断升级而来的。

  (作者:Jose Alarco,昆士兰大学教授  Peter Talbot,昆士兰大学教授  译者:黄琦  审校:李想)

  原文链接:https://theconversation.com/charged-up-the-history-and-development-of-batteries-40372

 

 
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