能源儲存之三

在上兩篇中，我們介紹了儲能裝置中的傳統電容器和超級電容器的工作原理，懂得了電容器是直接儲電的裝置，我們還提過一種電容器。叫做贗電容器，它其實借用了電池的部分工作原理。所以不是純粹的電容器，故日贗，接下來的幾篇文章，我們先來了解電池。

電池的名字很有講究，因為通常裝有液體電解質，故日“池”，這一點有別于多數電容器，電池是個很古老的裝置，它和蒸汽機是“同班同學”，民用的蒸汽機已經很少見了，而我們接觸的電池卻越來越多，如手機電池、筆記本電腦電池等，這些電子設備之所以如此輕便，高能量密度的鋰離子電池功不可沒，我讀大學本科的時候，我的一位室友剛買了一部手機，是當時的一款著名機型，使用的是鎳氫電池，但僅僅不到一年，這款機型在市場上就瀕臨淘汰，無人問津了，原因是體型、重量小巧得多的鋰離子電池大舉入侵，并迅速攻占了鎳氫電池的市場，這給我很大震撼，我第一次感受到電池科技的威力，后來我到加拿大留學，很幸運地有機會跟隨Linda Nazar教授從事新型電池的研究，親眼見證了最新電池技術的發展。

電池的用途

電池的用途極其廣泛，概括來說有兩方面，其一是作為可移動能源，請大家注意“可移動”這三個字，在石油被大規模開采使用以前，人類最好的可移動能源是煤炭，所以交通就靠火車，將燃燒煤產生的熱能，通過水蒸氣轉化為機械能來驅動火車，后來最好的可移動能源就是燃油，燃油的單位體積、單位質量所含有的能量非常大，所以人類社會對使用燃油非常上癮，但是石油開采光了之后呢?我們的交通該怎么辦?人們想到了電池，你或許玩過遙控汽車模型，或駕駛過兒童電動汽車吧，知道嗎，那可是純電動汽車的前輩啊，鑒于環保和化石能源瀕臨枯竭，電池是最有可能替代燃油作為可移動能源驅動未來的交通工具，當然，電池的傳統強項是用在各種可攜帶電子設備中，如上面提到過的手機、筆記本電腦，電池的另一方面功能是能量儲備，具體到風能、太陽能等可再生能源的大規模儲存這兩項功能，我們后面會具體介紹。

電池的發明

電池是如何發明的?讓我們坐著時空機器回到公元1780年的意大利去看一看吧，一天，博洛尼亞大學的一位姓加爾瓦尼(Galvani)的教授在做生物實驗，令他意想不到的奇怪事情發生了：當他用兩根金屬絲分別接觸到已經死去的青蛙樣本的一條腿和裸露在外的中樞神經的時候，青蛙腿居然抽搐了一下。加爾瓦尼對這個現象非常重視，經過反復試驗，他把青蛙腿的抽搐歸結為“動物電”效應，他認為動物體內可以產生電，這在當時引起了轟動，在博洛尼亞大學以南約40 km的帕維亞大學，另一位姓伏特(Volt)的年輕教授出于好奇。重復了這個“青蛙實驗”，實驗之后，伏特卻無法認同加爾瓦尼的“動物電”學說，伏特認為導致青蛙腿抽搐的電流并不是青蛙腿自身所產生的，而是在兩種性質不同的金屬絲之間產生的，就這樣，兩種不同的學說形成了，加爾瓦尼和伏特在此后的幾年中始終無法達成共識，他們在公開場合，帶有紳士風度但又熱烈地爭論個不休，逐漸地，伏特的理論占據了上風，伏特為了證明他的理論。發明了一種裝置，這種裝置將加爾瓦尼“青蛙實驗”中的青蛙換成了含有正、負離子的鹽水溶液，把銀(或者銅)線和鋅線插入溶液中，兩線之間就可以有電流，后來他又將幾個這樣的裝置串聯起來，命名為伏特電堆，這就是最早的電池，電池的發明徹底擊敗了“動物電”學說，使人類第一次得到穩定的、源源不斷的電能，加爾瓦尼的理論雖然被證明是錯誤的，但他的工作卻開創了電學大發展，為了紀念這位電學的啟蒙者，后人把電池稱為加爾瓦尼電池(Galvanic Cell)，偶爾才稱之為伏特電池(Voltaic Cell)，所以在當代英語中，Galvanic表示有電流動的含義，你看，科學的發展離不開兩個問題：為什么?和為什么不?伏特敢于質疑權威，他才有了更加接近真理的發現。

電池的工作原理

電池的放電工作原理是怎樣的呢?我們先從物質組成說起，物質是由相同的或者不相同的原子排列組合構成的。每個原子中含有一個原子核和一個或多個繞原子核轉動的電子，不同的物質對于自身電子的“控制力”是有很大差異的，對電子控制力強的物質有趨勢去“奪取”其他物質的電子，電池就利用了這個規律。

我們讓電子輸出方作為電池的一個電極(負極)，電子接納方作為另一電極(正極)，然后用一條帶有相當電阻的導線作為電子傳導的橋梁將兩個電極連接起來，這樣導線里就可能有流動的電子，就形成了電流，難道這就是電池放電的全部工作原理嗎?事情沒有這么簡單，我們知道，電子帶一個單位的負電荷，當電子通過外電路從電池負極流向正極時，會導致正極上帶負電，而失去電子的負極則會帶上正電。這就像“陰陽”，少了些“陰”就相當于多了“陽”，正、負極將是帶有相反電荷的帶電體，假設這種情況發生，由于正電荷和電子之間存在強大的吸引力，電子會離開正極重新流回負極，這樣的話，電子轉了一圈，相當于沒有做功。

那么電池的電子轉移到底是如何自發實現的呢?唯一的方法就是讓電子流入、流出方都不顯電性(即沒有電荷積累)，我們知道電解液可以容納和提供可自由移動的正：負帶電離子，以鋰電池為例，把電池正、負極置于同一個電解液中，當一個電子通過電池外電路離開負極到達正極的時候，電解液中會有一個鋰離子(正電)自發地抵達正極，去抵消正極上新來的這個電子的負電性：同時負極失去一個鋰離子，溶解到電解液中。這樣對于負極來說，它同時失去一個電子和一個鋰離子，同樣保持了中性，這樣，在鋰離子電池工作的時候，電池電解液中的鋰離子自發地由負極轉移到正極，使得兩極始終是電中性的，在這里，我們只是以鋰離子電池為例，但電池的基本原理是相同的，因此，電解液是電池制備成功的關鍵，其實在電池內部，發生的是一個化學反應，我希望通過上面的非化學反應的道理的講解，讓大家理解其中的原理，在剛剛提過的青蛙實驗中，青蛙的軀體就是含有鹽的電解溶液，充當了電解液容器的角色，所以說加爾瓦尼雖然沒有發明電池，但卻“發現”過電池。

電池的發明意義重大，電容器雖然早于電池被發明，但是電容器放電的速度太快，通常只有幾秒時間，不能夠作為穩定的電源，而電池通常可以放電幾個小時，這就為后來的電磁學實驗提供了穩定可靠的電源。

在結束今天的討論之前，我想提醒大家，對于所有的電池品種，其內部都或多或少含有有害化學物質，廢舊電池不是普通垃圾，需要回收集中處理，請大家不要隨意丟棄電池，以便保護環境，另外，切勿將電池的兩極直接用導線連接，這會造成短路，瞬間有大量電能釋放，可能會引起電池的破損甚至爆炸，也不要將電池靠近火源，溫度太高同樣會引起電池內的電解液沸騰導致爆炸。

責任編輯 程哲