電池“變形”之旅

自公元前250年被發(fā)明以來(lái)，電池已走過(guò)一段漫長(zhǎng)的旅程。它從最初內(nèi)置銅管、鐵棒等物質(zhì)的卵形陶罐，華麗變身為精致的“紐扣”、圓柱、長(zhǎng)方體等形狀。更重要的是，技術(shù)的不斷革新使電池工業(yè)實(shí)現(xiàn)了一次次重大飛躍。

電池“變形”究竟經(jīng)歷了一段怎樣的旅程？

古老的電池

從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，電池就是一種能將儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備?？梢哉f(shuō)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，注入外部設(shè)備中。

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發(fā)現(xiàn)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(shí)期的造物。

這枚最早的電池引發(fā)了很多爭(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，以及人們通過(guò)與之接觸時(shí)的刺痛感來(lái)產(chǎn)生宗教體驗(yàn)。

1749年，美國(guó)發(fā)明家本杰明·富蘭克林首次使用了“Battery”一詞。當(dāng)時(shí)他正用一組串聯(lián)的電容器進(jìn)行電學(xué)實(shí)驗(yàn)。

早期的現(xiàn)代電池

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而構(gòu)筑成一個(gè)小單元，再將這些小單元堆疊，就得到了“伏打電堆”。

導(dǎo)線連接電堆兩端就能產(chǎn)生穩(wěn)定的電流，每個(gè)小單元能產(chǎn)生0.76V的開(kāi)路電壓。通過(guò)將這些小單元串聯(lián)，人們能得到一個(gè)相當(dāng)于所有小單元電壓總和的電壓。

構(gòu)成電池的基本元件包括陽(yáng)極、陰極和電解液。在陽(yáng)極，電子通過(guò)外電路被移出，電極本身發(fā)生氧化反應(yīng)。陰極獲得電子，電極本身發(fā)生還原發(fā)應(yīng)。而電解液則在電池內(nèi)部提供離子從一個(gè)電極到另一個(gè)電極的遷移通道。

電子流在外電路中從陽(yáng)極流向陰極，這就是用以驅(qū)動(dòng)電力設(shè)備的“電流”。

一次性電池VS可充電池

產(chǎn)生電流之后，有些電池的狀態(tài)無(wú)法逆轉(zhuǎn)，我們將這種電池稱為一次性電池。當(dāng)反應(yīng)物消耗殆盡，這種電池就不能再使用了。最常見(jiàn)的一次性電池是碳鋅電池，如超市銷售的堿性電池就是其中的一種。

雖然更換小型電池不是難事，但對(duì)于大型電池而言，需要頻繁地更換不具備商業(yè)可行性。

1859年，普蘭特發(fā)明了最早的可重復(fù)充電的電池——鉛酸蓄電池。盡管近年來(lái)鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池等新型電池相繼問(wèn)世并得以應(yīng)用，但它仍憑借電壓特性平穩(wěn)、溫度適用范圍廣、單體電池容量大、安全性高和原材料豐富、價(jià)格低廉等一系列優(yōu)勢(shì)，在絕大多數(shù)傳統(tǒng)領(lǐng)域和一些新興的應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)著牢固的地位。

鎳鎘電池也是世界上最早的可充電池之一，使用的是堿性電解質(zhì)。1989年，鎳氫電池被發(fā)明，它的壽命比鎳鎘電池長(zhǎng)?？沙潆姵貙?duì)充電過(guò)量、過(guò)熱十分敏感，因此充電功率需控制在特定功率之下。幸好設(shè)計(jì)精巧的控制器使充電速度加快，人們無(wú)需為充電苦等幾個(gè)小時(shí)。

為讓電池更好地服務(wù)大眾，研究者們一直追求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，不過(guò)研發(fā)人員也有一些應(yīng)對(duì)的方法。

比如對(duì)于體積不大的手機(jī)電池，可通過(guò)在電池中加入限流器來(lái)提高它的安全性。而對(duì)于大型電池，隨著它越來(lái)越廣泛地被使用，人們將備加關(guān)注它的安全問(wèn)題。

鋰離子電池

1970年，美國(guó)?？松镜腤hittingham采用硫化鈦為正極材料、金屬鋰為負(fù)極材料，制成首個(gè)鋰電池。鋰電池不能充電，且存在一定的安全隱患。

在鋰電池的基礎(chǔ)上，人們發(fā)明了鋰離子電池。1992年日本索尼公司發(fā)明了以炭材料為負(fù)極、以含鋰的化合物作正極的鋰電池，在充放電過(guò)程中，沒(méi)有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。而日常生活中，人們常將鋰離子電池俗稱為“鋰電池”，如手機(jī)、筆記本的電池。

1996年，Padhi和Goodenough發(fā)現(xiàn)具有橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鹽，如磷酸鐵鋰，比傳統(tǒng)的正極材料更安全。它的耐高溫、耐過(guò)充電性能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的鋰離子電池材料，已成為當(dāng)前主流的大電流放電的動(dòng)力鋰離子電池的正極材料。

根據(jù)所用電解質(zhì)材料的不同，鋰離子電池分為液態(tài)和聚合物鋰離子電池兩種。聚合物鋰離子電池以其在安全性上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，將逐步取代液態(tài)鋰離子電池而成為主流。

縱觀電池發(fā)展史，可看出當(dāng)前世界電池工業(yè)發(fā)展的三個(gè)特點(diǎn)：一是鋰離子蓄電池、氫鎳電池等綠色環(huán)保電池迅猛發(fā)展;二是一次性電池向蓄電池轉(zhuǎn)變，這符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略;三是電池進(jìn)一步向小、輕、薄方向發(fā)展。在商品化的可充電池中，鋰離子電池的比能量最高，特別是聚合物鋰離子電池，能實(shí)現(xiàn)可充電池的薄形化。

鋰離子電池是電池發(fā)展史上的一次重大飛躍，被譽(yù)為“21世紀(jì)電池”的聚合物鋰離子電池將開(kāi)辟蓄電池的新時(shí)代。（據(jù)IT之家、百度百科）