存起來,慢慢用

要說與我們關系最為密切的電子產品，很多同學會脫口而出地答道“手機”，而那些PSP、MP3、筆記本電腦或者iPad不離手的家伙也有可能會給出不同的答案；但不管怎樣，這些產品都有著同樣的一種電子設備——電池。如果沒有電池，再牛逼的便攜數碼產品都沒辦法得瑟，三萬塊的天價筆記本電腦也只能當作臺式機用；而生活當中幾乎所有的電器設備，在內部都有電池在辛辛苦苦地工作。對于這樣一個時刻服務于廣大Geek的玩意，它的來龍去脈，我們當然有理由來細細了解一番。

最早的電池是怎么來的

電池可不是生來就像最常見的AA干電池那樣一顆一顆地擺著讓我們用，而是經過了漫長的發展以及無數次的演變，才進化到現在的形態。同時，電池的開端也遠比我們想像的要早，它并不是在很多人以為的愛迪生時代出現的，最早的電池甚至要上溯到古希臘或者2000多年前的伊拉克巴格達。雖然沒有科學家給出明確的考證結果，但一方面，在古希臘一些史料的記載當中，可以看到當年的人已經知道如果摩擦琥珀之類的物體，它們會產生對一些輕的物體的吸引力，這其實就是摩擦起電的道理；另一方面，在1936年，一群考古學家在巴格達附近的村莊發現了一些內壁附著一層銅箔、中間固定著一根鐵柱的陶罐，這和后來的“濕電池”的原理類似，因此被科學家認為這是用來存儲靜電的。要知道這些罐子距今已經2000多年，如果真是用作電池，那歷史也實在太悠久了。真正意義確定了電的存在以及想辦法把電搞出來，也是200多年前的事情了。最早對電的存儲以及傳輸方式展開討論的，是意大利的醫學家伽伐尼(Luigi Galvani)，不過他關注到電方面的事情也算是巧合。1780年秋天，伽伐尼在解剖一只青蛙時，碰到了青蛙大腿上的神經，這使得已經死掉的青蛙產生了抽搐。伽伐尼對此感到好奇，于是又多重復了幾次實驗，并換用銅和鐵、銅和銀等不同的金屬搭配，將這些金屬的兩端連接到青蛙的肌肉和神經上，這么折騰的結果是青蛙的尸體不斷地抖動；但伽伐尼換掉金屬，改用玻璃之類的介質，青蛙的抖動就會停止?；诖?，伽伐尼就認為這是動物自發的電流，并認為腦部是“分泌”電液的器官。隨后在1791年，伽伐尼發表了《關于電對肌肉運動的作用》論文，把這形容為“生物電”現象。

伽伐尼的實驗實在有些牽強。第一，碰到動物的神經系統，抽抽是必然的；第二，伽伐尼認為動物會放電，這至少在他的實驗當中是不成立的，動物只是起到了導體的作用。不過這并不影響伽伐尼在歷史上的地位，他的研究被公認為電流生理學的開端，現在我們熟悉的電療、心電圖等東西也都是從這里發展而來。

話說回來，在對伽伐尼的結論持有不同意見的人當中，有同時期的意大利物理學家伏打(Alessandro Volta)，不過他仍然在伽伐尼實驗的基礎上進行發展。首先他強調，產生電的并不是動物而是那些金屬。伏打此前做過這樣一個試驗：他用舌頭同時舔一枚金幣和一枚銀幣(這個動作想不猥瑣都難啊……)，然后用導線把兩枚硬幣連接起來，這時會有舌頭發麻的感覺。因此他認為，兩種不同金屬相互接觸才是電流產生的關鍵，如果再加上點濕濕的東西，效果會更好——總之，“玩電”上癮的伏打很快就發現了兩種金屬與液體混在一起能夠發生電流效應。于是在1800年3月20日，伏打宣布，他搞出了人類歷史上第一套電源裝置——這套裝置就是后人所稱的“伏打電池”。

伏打電池的原理其實非常簡單，讓幾十對銀片(最開始實驗時用的銅片，后來改用效果更好，價錢也更貴的銀片)和鋅片泡在鹽水或者堿水當中，再用兩條金屬線將銀片和鋅片焊接起來，它們就能產生電流效應。銀片和鋅片越多，電力就越強，也越持久。此后伏打還進行了不少的完善和改進，比如用硫酸代替鹽水。這一改進甚至沿用至今，如今汽車上的電瓶就是這樣的原理。

“濕電池”時代

可以看到，伏打電池的原理，其實跟之前巴格達那里發現的陶罐是一樣的，因為有鹽水或者堿水這樣的電解液的參與，這樣的電池被后來的人統稱為“濕電池”(廣義上的“濕電池”)。不管怎樣，伏打電池開啟了靈活用電的新時代，在此后的半個多世紀當中，科學家們都在致力于改善這一方案，比如選擇產生電流效應更好的金屬和電解質、把容器進一步縮小以便將伏打電池用在更多的地方，另外還有解決短路等技術缺陷等。

一些科學家和Gee k們也基于這一方案繼續拓展。1813年，英國的戴維爵士(Sir Humphrey Davy)組裝了一個巨大的電池，他用了2000對金屬片，這可比伏打的狠多了也危險多了。而搗騰出這么大的電池，戴維爵士的目的一方面是想試試把天然的鈉和鉀混合物分離，以萃取純的鈉和鉀金屬，另一方面則是想了解電的特性，而后者又給法拉第(Michael Faraday)提供了參考，客觀上推動了發電機的誕生。在這一時期當中，英國化學家丹尼爾(John Frede ric DanielI)和法國的雷克蘭士(George LecIanche)成為了改進“濕電池”的代表人物。1836年，丹尼爾用一個銅制容器裝硫酸銅溶液，再用一個允許離子穿過的多孔的玻璃罐裝硫酸溶液，這個玻璃罐浸入銅制容器之后起到了過濾的效果，在電流產生之前銅離子不會漂移到鋅陽極而減弱電流，這一增強連續放電性能的改進方案被稱為“丹尼爾電池(DaniellCell)”。

而雷克蘭士的研究更為他在科學史上留下了自己的名字，他發現了最靠譜的一些金屬和電流收集方式。同樣是將兩塊金屬浸入電解質中，1866年，雷克蘭士選擇將鋅和汞的合金棒作為負極(鋅被證明是用作負極材料的最佳金屬之一)，而用一個多孔的杯子盛著碾碎的二氧化錳和碳的混合物作為正極，當中還有一根碳棒當作電流收集器。然后將合金棒(負極)和混合物杯子(正極)都浸入氯化銨溶液中。這些材料顯然不是憑空組合的，而是經過了大量的研究、論證和試驗才得到的，這樣的組合改善了電解質的導電性，提高了反應能力，從而得以提供更長時間的電流。

雖然和早期的伏打電池一樣簡陋，但雷克蘭士的“錳鋅電池”方案已經有了現代干電池的雛形。它能夠很好地發揮電池的功用，并且成本很低，于是迅速被廣泛運用。這一方案也被后人直接稱為“濕電池”(狹義上的“濕電池”)。直到20年后的1887年，英國人卡爾·葛司南(Carl Gassner)將合金棒改成鋅罐，并在氯化銨溶液中加入石膏來讓電解液從液體變為糊狀，從而帶來最早的干電池——碳鋅電池，這也不過只是在雷克蘭士“濕電池”方案的基礎上提高了一小步而已。

干電池時代

從“濕電池”到干電池，電池的成分越來越穩定安全，尺寸也可以根據需要做得越來越小，成本也越來越低，這意味著電池這東西已經有機會能夠為更多的普通人服務。而從碳鋅電池開始，電池的內部至少不是純粹的液體了，外部也用上了鋅制的外殼，保證內部的電解質不會輕易泄漏。在此后的短短幾年時間當中，“干電池”方案不斷被完善，技術也不斷得以更新。改變來得有夠快，在碳鋅電池出現后沒多久，1896年，干電池在美國開始批量生產，干電池的時代已經完全來到。到了1899年，瑞典科學家容納(Waldmar Jungner)發明了鎘鎳電池，最早的堿性電池由此誕生。鎘鎳電池是以充電電池的身份出現的，這種電池將鎳和鎘作為電池的電極，電解液則換成了氫氧化鈉，它除了性能更加穩定，循環壽命和自放電控制也都更為出色。容納在發明鎘鎳電池的同時還發明了另一種可充電的電池，它采用鎳和鐵的組合。一開始這種電池會產生很多氫氣，這讓電池不能被密封，因此容納拋棄了這一方案。1901年，愛迪生開始對這種鐵鎳電池進行改進，到了1903年鐵鎳電池改進成功，并且被愛迪生嘗試性地用于取代早期汽車上的鉛酸電池(和鎘鎳電池一樣都是早期的充電電池)。

無論如何，愛迪生在干電池時代起到了巨大的作用，他撿起了原本被拋棄的鐵鎳電池方案，并不斷進行改善，讓這一方案更加成熟穩定，還憑借自己的地位讓技術和產品迅速普及。進入20世紀之后，1910年，可充電的鐵鎳電池正式商業化生產，而在兩次世界大戰當中，干電池都發揮了重要作用(雖然不好說這事情到底是好是壞)。當然，現在我們更是隨處可見有干電池在售賣——早在一個多世紀之前，干電池的結構已經基本定型。

可充電電池時代

電池如果能夠反復充電使用，不僅方便，對生產電池所耗的資源本身也是一種節約。也許很多同學以為可充電電池(也叫二次電池)是在有了干電池之后才出現的，事實上，早在“濕電池”時代，可充電電池方案就已經出現，并且150年前的方案還能沿用至今，讓人感嘆當年那些Geek們的厲害。這說的就是1859年法國人普蘭特(GastonPlante)發明的鉛酸蓄電池，這是最早的可充電電池，這一方案一直沿用下來，只是在細節上不斷地調整和改進。比如最開始做實驗的時候鉛酸電池是開口式的，使用過程當中需要經常添加水和硫酸啥的，這不僅麻煩，而且對人和對環境都很危險。后來就有了改進方案，把電池封口，要加水和硫酸的話通過閥門來控制，這基本上就是現在的免維護蓄電池了。

到后來19世紀末20世紀初，先后由容納和愛迪生發明改進的鎳鎘、鎳鐵等電池，它們本身也是以可充電電池的身份出現的。對不同材料的試探，目的都是為了增強電池性能，提高電池循環壽命，保證電池工作穩定，從而使之能更加輕巧、方便地用在更多的環境和設備上。我們都說科技的發展是階梯式的，后來者在前人的研究基礎上繼續研究，一代人_代人的積累，這在電池的發展史上表現得特別典型。

進入20世紀70年代，隨著二戰結束以及各國在廢墟上建設了20多年，科技開始日新月異，帶動了可充電電池再次迎來新的發展高潮。1971年，美國人斯坦?！W維辛斯(Stanford ROvshinsky，后來被稱為“太陽能光伏之父”)研制出了金屬氫化物鎳電池，也就是我們通常所說的鎳氫電池。它是從鎳鎘電池改良而來，用氫代替鎘。這樣一方面可以更好地控制生產成本，更重要的是鎳氫電池擁有了比鎳鎘電池更高的電容量，記憶效應也很不明顯，同時因為不含有毒的鎘，鎳氫電池對環境的污染也很小——相比過去的方案，鎳氫電池的優勢全面，真正將干電池形式的可充電電池引領到了一個全新的時代?，F在最著名的可充電電池三洋eneIoop系列就采用的是鎳氫電池方案，極低的記憶效應、穩定的電能輸出和1500次以上的循環使用壽命等都是eneloap系列的賣點。從20世紀80年代開始，隨著索尼推出Walkman隨身聽等便攜設備，全世界對電池有了進一步的需求，鋰離子電池的方案也逐漸浮出水面。這里很多人會將鋰電池和鋰離子電池混為一談，其實，鋰電池只是早期干電池的一種，它用的是鋰金屬或鋰合金為負極材料，電解質同樣為糊狀，是當年愛迪生在實驗各種材料時“順帶”發明的。后來人們用很多種元素來合成鋰合金以提升電池性能，這應該被歸納到干電池的發展脈絡當中。

而鋰離子電池就是現在我們非常熟悉的電池方案了，我們的筆記本電腦用的是鋰離子電池，卸下手機后蓋，上面也寫得清清楚楚“xx伏特鋰離子電池”或者“鋰離子聚合物電池”。它的研發從1983年開始，由美國化學家、固體物理學家約翰·巴尼斯特·古迪納夫(John B Goodenough)率領團隊在索尼公司立項，并在1991年最終開發出成熟的鋰離子電池。從此，手機、筆記本電腦等本身以“便攜”為賣點的電子產品的重量與尺寸得以大幅降低，電池續航能力也得到質的飛躍。

從鋰離子電池到鋰離子聚合物電池，研發也只用了三五年的時間。1996年，還是古迪納夫的團隊，他們用固體聚合物材料取代了原來的液體電解液(用多聚物取代液態有機溶劑)，從而讓電池能夠按照實際產品的需要設計成不同的外形，進一步為量產和普及掃清了障礙，3C產業從此也真正進入到發展的快車道。

清潔電池時代

似乎從一開始，電池這東西就跟什么硫酸什么金屬，以及這樣那樣的液體聯系到一起，給人的感覺是不管怎樣都要影響環境，搞不好還會有損人體健康。不過，“清潔電池”的方案也早就出現，雖然它誕生的初衷并不是為了保護環境，只不過是科學家為了尋找發電、保存電能的新方案而已，而且被認為是第一款“清潔電池”的硒光電池，當時也只是西門子為測量光量而進行的研究課題——1875年，德國人西門子基于“內光電效應”，發明出了對光敏感、受光發電的硒光電池。它其實是半導體光電池的一種，可以將光能轉化成電能，產生電能的多少也與受光量成正比，這就是現代太陽能電池的雛形。

到了1889年，蒙德(Mood)和萊格(Langer)又提出了“燃料電池”這一名稱，這同樣不是為了“環?！倍鴰淼姆桨福菫榱嗽囋嚳从妹簹獾茸鳛槿剂夏懿荒芨玫乜刂齐姵爻杀?，并且讓電池能夠搞定更大規模的應用。后來的燃料電池也確實做到了這一點，用煤氣作為燃料，運用機電效應等原理，將燃料電極、空氣／氧氣電極和電解液三部分組成一個電化學系統，通過冷燃燒的方式將化學能轉化為電能。因為是冷燃燒，所以第一不會有火焰，一氧化碳、二氧化硫之類有害氣體的排放量非常低，第二這種方式也很少會有機械參與其中，硬件損耗就幾乎可以無視了再加上產生與存儲電能的效率極高，這在后來就被應用到了航空航天之類的項目上。

或者說，電池能否“清潔”地進行工作，被看作是電池為生產生活提供更多幫助的重要基礎，而除了太陽能電池和燃料電池，其實從鎳鎘電池發展到鎳氫電池，也是為了避免鎘對環境造成危害——讓電池更加環保安全，這可以說是電池發展的源動力之一。

電池有多少種

在前文當中，我們已經介紹了各種電池的類型與成分，這可能會讓大家感覺到困惑。因為當中一些概念和分類是相互涵蓋的，比如可充電電池能夠做成干電池和濕電池兩種，像太陽能那樣的清潔能源又似乎沒有一個合適的類別來歸納，因此我們需要超越已有的觀念，重新對電池來進行分類。簡單來說，我們會將現在主流的電池分成堿性電池、鋰電池、酸性蓄電池和太陽能電池四種。

其中，堿性電池分成一次電池和二次電池，一次電池比如堿性鋅錳電池，這也是目前堿性電池的主導產品，它比過去的碳鋅電池和氯化鋅電池更加安全，容量也更大；堿性二次電池則以鎳氫電池為代表，它憑借高壽命和環保等特性，已經在進入21世紀之后逐漸淘汰了過去的鎳鎘電池?；旧?，堿性電池都以民用為主，因此特別強調安全、環保與價格。

與堿性電池一樣，鋰電池也是與普通老百姓關系最密切的電池類型之一，它分成鋰一次電池和鋰二次電池兩種。鋰一次電池又稱金屬鋰電池，它的負極采用金屬鋰，而正極則根據需要，在二氧化錳、二氧化硫、亞硫酰氯、二硫化鐵、碘等元素當中進行選擇，這樣的組合會得到高電壓、大功率、放電能力出色的電池，在民用之外，在軍事領域也有廣泛應用：而鋰二次電池就更加隨處可見一它包括鋰離子蓄電池和鋰離子聚合物電池，目前我們已經完全實現了鋰二次電池生產的國產化，生產和銷售各方面都非常成熟。

酸性蓄電池雖然名字聽起來好像不太流行，但我們也一定不陌生，酸性蓄電池當中的鉛酸蓄電池常用在汽車、電瓶車、摩托車等產品上，尤其是現在隨處可見的電瓶車，這一電池類型可是為環保事業做了很大的貢獻。至于太陽能電池，目前主要還處于研發的階段，當中只有包括單晶硅、多晶硅和非晶硅電池在內的硅光電池可以工業化生產，不過長遠來看，目前的這些太陽能電池方案工作效率還太低，存儲和輸出電能都不夠穩定，這就留給未來的Geek們去解決了。

未來電池什么樣

了解了從過去到現在電池發展這一路走來的情況，讓我們多少也會展望一下未來會出現哪些新型電池?，F在各國的科學家、大小Geek們也仍然在努力折騰，希望能引領未來電池的潮流，這當中也出現了不少有趣的設計。比如超薄電池，這類設計的初衷是為最終的產品爭取外觀設計上更大的自由度，畢竟電池一直是制約手機、平板電腦等產品體型進一步縮小的關鍵。2007年，歐洲一個研究團體在《太陽能》雜志在線版上發表論文，介紹了利用光的強度自動充電的超薄太陽能電池，原型產品重量僅有2g，厚度還不到1mm，并且生產成本也很好控制：同年8月，美國倫斯勒理工學院(Rensselaer Poechnic Insfitule，RPI)也發明出了一種紙電池，它通過把碳納米管嵌入紙當中而制成，這樣的電池不僅可以隨意彎曲，而且能在150攝氏度到零下70攝氏度的極端天氣當中正常工作，這些都為行業的發展指出了道路。一方面要薄，另一方面我們也需要電池的容量更大。在2010年，松下開發出容量為4安時(4000毫安時)的鋰電池，比現有的產品高出了30％；僅過了一年，在今年2月，同為日本企業的東芝宣布，它們設計出了單體容量達到60安時的鋰離子電池，并已經開始在新落成的工廠里批量生產，這不僅夠電瓶車使用，還為電動汽車在接下來的發展奠定了技術基礎。此外，美國的斯坦福大學和麻省理工學院也分別從納米硅線和碳納米管兩個方向著手，開發出了自己的超大容量電池方案。

當然，最讓Geek們期待的，還是2009年美國密蘇里大學的“核電池”項目。這是通過收集放射性物質衰變時釋放的帶電粒子，來形成穩定的電流。在研究團隊的演示當中，一塊硬幣大小的電池能夠發出普通化學電池需要充電100萬次才能發出的電力，再換算—下的話，這可以讓我們的手機五千年不用充電，基本就是一個“一輩子不用充電”的方案。想想看，也許這一方案會讓無數的傳統電池廠商破產，但對于我們普通老百姓來說，在安全有保障的情況下，這可真是一個值得期待的、美妙的、終極的未來啊。