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獨(dú)家剖析一枚電池的前世與今生
發(fā)布時(shí)間:2016-11-02 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】或許我們正是一個(gè)時(shí)代的見(jiàn)證者,在這個(gè)時(shí)代里,能源又一次要更新?lián)Q代,而為我們提供能源的未來(lái)大型電池,正是由最初那枚毫不起眼的小電池不斷升級(jí)而來(lái)的。電池在我們今天的生活中無(wú)處不在以至于幾乎被我們忽視。然而,它們卻是漫長(zhǎng)而傳奇歷史中的一項(xiàng)卓越發(fā)明,擁有精彩而悠久的歷史,也將擁有同樣璀璨的未來(lái)。
自從公元前250年被發(fā)明以來(lái),電池已經(jīng)走過(guò)了一段漫長(zhǎng)的旅程。Flickr/Patty, CC BY-NC-SA
電池,從本質(zhì)上來(lái)說(shuō),就是一種能夠?qū)?chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備?;旧?,電池就是一個(gè)小型化學(xué)反應(yīng)器,通過(guò)反應(yīng)產(chǎn)生高能電子,用以注入外部設(shè)備之中。
電池出現(xiàn)的時(shí)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(chēng)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(shí)期的造物。
這枚最早的電池引發(fā)了很多的爭(zhēng)論。對(duì)于它的用途,人們眾說(shuō)紛紜,可能的假說(shuō)包括用于電鍍,止痛或者是人們通過(guò)與之接觸時(shí)的刺痛感,來(lái)產(chǎn)生宗教體驗(yàn)。
美國(guó)發(fā)明家本杰明·富蘭克林在1749年首次使用了“Battery”這一詞語(yǔ)。當(dāng)時(shí)他使用了一組串聯(lián)的電容器來(lái)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Alessandro Volta于1800年發(fā)明的。他通過(guò)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(gè)小單元,再將這些小單元堆疊起來(lái),就得到了“伏打電堆”。
導(dǎo)線將電堆的兩端連接起來(lái),就能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的電流。每一個(gè)小單元能夠產(chǎn)生0.76伏特(V)的開(kāi)路電壓。通過(guò)將這些小單元串聯(lián),我們能夠得到電壓相當(dāng)于每一個(gè)小單元電壓的總和。
鉛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(chē)的點(diǎn)火。它也是最早的可重復(fù)充電的電池。
汽車(chē)電池。Flickr/Asim Bharwani, CC BY-NC-ND
時(shí)至今日,電池的尺寸可大可小,大至兆瓦級(jí)別,用于儲(chǔ)存太陽(yáng)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提供動(dòng)力。
不同的電池基于不同的化學(xué)反應(yīng),這也使得每一個(gè)不同的小單元有著不同的開(kāi)路電壓,通常在1.0至3.6V之間。通過(guò)串聯(lián)這些小單元,我們能夠增加電壓;而并聯(lián)這些小單元?jiǎng)t能夠增強(qiáng)電流。這一規(guī)律被我們用來(lái)增加電壓和電流,以提供我們所需要的電流和電壓,即便是兆瓦級(jí)別的電池,它的電壓和電流也是通過(guò)這個(gè)最基本規(guī)律得到的。
現(xiàn)在人們預(yù)測(cè),電池技術(shù)將再次迎來(lái)一次飛躍。新的電池模型將能夠從家用太陽(yáng)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(chǔ)存,在合適的時(shí)間(通常是夜晚)為一整個(gè)家庭提供未來(lái)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(kāi)始時(shí),額外的電子被釋放出來(lái),電池即開(kāi)始放電。額外電子釋放的一個(gè)例子是在鐵氧化生銹的過(guò)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(shì)不同的金屬或是化合物用一層多孔絕緣體隔開(kāi)?;瘜W(xué)勢(shì)即是儲(chǔ)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(dòng)的時(shí)候,這些能量能夠傳遞給那些運(yùn)動(dòng)的電子。
鹽水這樣的導(dǎo)電液體常常被用來(lái)傳輸可溶解的離子,在反應(yīng)過(guò)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(chēng)這樣的導(dǎo)電液體為電解質(zhì)。
在放電過(guò)程中,失去電子的金屬或化合物被稱(chēng)為陽(yáng)極,得到電子的金屬或化合物被稱(chēng)為陰極。在外電路中,電子流從陽(yáng)極流向陰極,這就是我們用以驅(qū)動(dòng)電力設(shè)備的“電流”。
一次電池vs充電電池
產(chǎn)生電流之后,有些電池的狀態(tài)無(wú)法逆轉(zhuǎn),我們將這種電池稱(chēng)為一次電池。當(dāng)反應(yīng)物之一消耗殆盡,這種電池便無(wú)法再使用了。
最常見(jiàn)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(gòu)買(mǎi)到的堿性電池。
我們?cè)谌粘I钪谐S玫膲A性電池。Flickr/Simon Greig, CC BY-NC-SA
處理一次電池的難度在于,我們不能通過(guò)再次充電來(lái)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(zhǎng)的壽命。
這一類(lèi)電池對(duì)于充電過(guò)量過(guò)熱十分敏感,因此充電功率應(yīng)當(dāng)控制在一個(gè)最大功率之下。不過(guò)設(shè)計(jì)精巧的控制器能夠使充電速度加快,我們也就不需要為了充電苦等幾個(gè)小時(shí)了。
充電電池能夠多次使用。Flickr/Brian J Matis, CC BY-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(chǔ)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(xiǎn)性也在上升,但是我們也能夠找到一些應(yīng)對(duì)之法。比如對(duì)于手機(jī)電池,因?yàn)樗容^小巧,所以我們可以通過(guò)在電池中加入限流器來(lái)提高它的安全性。
不過(guò)隨著越來(lái)越多的大型電池投入應(yīng)用,人們會(huì)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(wèn)題。
第一次飛躍:鋰離子電池
時(shí)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,還需要電池能夠充電再利用。
1980年,美國(guó)物理學(xué)教授John Goodenough發(fā)明了一種新型的鋰電池。在這種鋰電池中,鋰能夠在電池中以鋰離子的形式,穿梭于兩個(gè)電極之間。
鋰是周期表中最輕的元素之一,同時(shí)擁有著極強(qiáng)的電化學(xué)勢(shì),這兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)使得它能夠以最小的體積提供最高的電壓。
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(guò)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(kāi)始,帶正電的鋰離子從陰極遷移到石墨材料制成的陽(yáng)極,重新變?yōu)榻饘黉嚒?/div>
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因?yàn)榻饘黉囉兄鴺O強(qiáng)的電化學(xué)推動(dòng)力,所以金屬鋰極容易被氧化,它會(huì)遷移至陰極并再次成為鋰離子,將外層電子交給過(guò)渡金屬離子(比如鈷離子)。在這一循環(huán)中的電子移動(dòng)為我們提供了我們所需的電流。
第二次飛躍:納米技術(shù)
由于過(guò)渡金屬的加入,鋰離子每一個(gè)小單元都能夠提供更高的能量,但是反應(yīng)活性的提高也會(huì)帶來(lái)負(fù)面效果,電池會(huì)更容易受到一種被稱(chēng)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(hào)的電池著火。如果這一問(wèn)題無(wú)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(wú)從談起了。
這一次,站出來(lái)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(dòng)工具到混合與電動(dòng)力汽車(chē),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,將是為住宅提供家用電能。
無(wú)線電動(dòng)工具的出現(xiàn)要感謝充電電池的進(jìn)步。Flickr/People s Network, CC BY-NC
電動(dòng)汽車(chē)
在電動(dòng)汽車(chē)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(lái)源于希臘語(yǔ),巨大的),以生產(chǎn)適合用于電動(dòng)汽車(chē)的大型電池。
Tesla Model S型汽車(chē)裝備的鋰電池電池組容量已經(jīng)達(dá)到驚人的85千瓦時(shí)。
這樣的電池組容量,已經(jīng)足夠一個(gè)普通家庭的需要了,也正因?yàn)槿绱?,大家?duì)于Tesla公司創(chuàng)始人Elon Musk發(fā)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(chē)中使用,也能夠在家居生活中使用,而無(wú)需重新設(shè)計(jì)和組建。
或許我們正是一個(gè)時(shí)代的見(jiàn)證者,在這個(gè)時(shí)代里,能源又一次要更新?lián)Q代,而為我們提供能源的未來(lái)大型電池,正是由最初那枚毫不起眼的小電池不斷升級(jí)而來(lái)的。
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