【化学故事】电池的成长之路

【化学故事】电池的成长之路

电池有广泛的应用，电视遥控器、钟表用的是干电

池、手机用的是锂离子电池、手表用的是纽扣电

池、电动车、汽车用的是铅酸蓄电池、还有新能源

汽车、宇宙飞船等等都用到电池。其实电池的发明

1、诞生——青蛙腿带来灵感

电池的诞生，基于人们对于获取持续而稳定的电流

的需要。不过，电池的发明，是

意大利解剖学家伽伐尼肖像。他因为在解剖青蛙时

发现了〃生物电〃而著名。请注意肖像下部的那半只

青蛙。

1780年的一天，意大利解剖学家伽伐尼(Luigi

Galvani)在做青蛙解剖时，两手分别拿着不同的金

属器械，无意中同时碰在青蛙的大腿上，青蛙腿部

的肌肉立刻抽搐了一下，仿佛受到电流的刺激，而

如果只用一种金属器械去触动青蛙，就无此种反

应。伽伐尼认为，出现这种现象是因为动物躯体内

部产生的一种电，他称之为〃生物电〃。

还原伽伐尼实验的绘画作品

伽伐尼的发现引起了物理学家们的极大兴趣，

他们竞相重复伽伐尼的实验，企图找到一种产生电

流的方法。而意大利物理学家伏特(Alessandro

Volta)在多次实验后则认为：伽伐尼的〃生物电〃之

说并不正确，青蛙的肌肉之所以能产生电流，大概

是肌肉中某种液体在起作用。

伏特

为了论证自己的观点，伏特把两种不同的金属片

浸在各种溶液中进行试验。结果发现，这两种金属

片中，只要有一种与溶液发生了化学反应，金属片

之间就能够产生电流。

1799年，伏特把一块锌板和一块银板浸在盐水

里，发现连接两块金属的导线中有电流通过。于

是，他就把许多锌片与银片之间垫上浸透盐水的绒

布或纸片，平叠起来。用手触摸两端时，会感到强

烈的电流刺激。伏特用这种方法成功制成了世界上

第一个电池〃伏特电堆〃。这个‘伏特电堆〃实际上就

是串联的电池组。

伏特受伽伐尼实验的启发，发明了伏特电堆

实际上，只要有两种金属浸泡在某种溶液中，

就有可能产生也池作用。曾经接受过金属补牙手术

的朋友们都会发现，用舌头舔补牙的金属，会感到

〃麻麻〃的感觉，就是因为补牙用的多种金属产生了

电池作用。

1836年，英国的丹尼尔对〃伏特电堆〃进行了改良，

又陆续有效果更好的〃本生电池〃和〃格罗夫电池〃等

问世。然而在当时，无论哪种电池都需在两个金属

板之间灌装液体，搬运很不方便，特别是蓄电池所

用液体是硫酸，在挪动时很危险。

丹尼尔电池

2、演讲从〃便携〃到重复使用

干电池的鼻祖在19世纪中期诞生。1860年，

法国的雷克兰士(GeorgeLeclanche)发明了碳锌电

池，这种电池更容易制造，且最初潮湿水性的电解

液逐渐用黏浊状类似槌糊的方式取代，于是装在容

器内时，〃干〃性的电池出现了。

雷克兰士发明的干电池

1887年,英国人赫勒森(WilhelmHellesen)发明

了最早的干电池。相对于液体电池而言，干电池的

电解液为糊状，不会溢漏，便于携带，因此获得了

广泛应用。

干电池

如今，干电池已经发展成为一个庞大的家族，

种类达100多种。常见的有普通锌-镒干电池、碱

性锌-镒干电池、镁-锦干电池等，不过，最早发明

的碳锌电池依然是现代干电池中产量最大的电池。

在干电池技术的不断发展过程中，新的问题又出现

了。人们发现，干电池尽管使用方便，价格低廉，

但用完即废，无法重新利用。另外，由于以金属为

原料容易造成原材料浪费，废弃电池还会造成环境

污染。于是，能够经过多次充电放电循环，反复使

用的蓄电池成为新的方向。

事实上，蓄电池的最早发明同样可以追溯到

1860年。当年，法国人普朗泰(GastonPlante)发

明出用铅做电极的电池。这种电池的独特之处是当

电池使用一段时间电压下降时，可以给它通以反向

电流，使电池电压回升。因为这种电池能充电，并

可反复使用，所以称它为〃蓄电池〃。

铅酸蓄电池

1890年，爱迪生发明可充电的铁银电池，1910年

可充电的铁银电池商业化生产。如今，充电电池的

种类越来越丰富，形式也越来越多样，从最早的铅

蓄电池，铅品蓄电池，到铁镇蓄电池以及银锌蓄电

池，发展到铅酸蓄电池、太阳能电池以及锂电池等

等。与此同时，蓄电池的应用领域越来越广，电容

越来越大，性能越来越稳定，充电越来越便捷。

3、现状新势力风起云涌

下面，纯电力汽车终于登场啦！在这个领域，

锂离子电池和燃料电池成为最令人瞩目的明星。

从上面的故事可以看出，整个电池的发展史也

可以说是一个‘试试各种金属能不能造电池〃的历

史。现在电池界最红的金属是〃锂锂是所有金属

里最轻的，比水还轻，而且特别活泼，需要保存在

石蜡里。实际上，当初爱迪生就曾经发明过锂电

池，但是由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂

金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高，所

以锂电池长期没有得到应用。现在，人们对电池〃求

贤若渴〃，这些问题也就不是问题了。恰好锂电池具

有能量重量比高、电压高、自放电小、可长时间存

放等优点，所以它在近30年中取得了巨大发展。

我们用的计算机、计算器、照相机、手表中的电池

都是锂电池。

锂电池组装完成后电池即有电压，不需充电。

这种电池也可以充电，但循环性能不好，在充放电

循环过程中，容易形成锂枝晶，造成电池内部短

路，所以一般情况下这种电池是禁止充电的。后

来，索尼公司发明了以炭材料为负极，以含锂的化

合物做正极，在充放电过程中，没有金属锂存在，

只有锂离子，这就是锂离子电池。

锂离子电池的优势十分明显：工作电压高、体

积小、质量轻、能量高、无记忆效应、无污染、自

放电小、循环寿命长，成为最适用于电动汽车的电

池之一。锂离子电池通过锂离子在正负极之间跑来

跑去来充电和放电C这个领域最牛的技术是〃层叠电

池结构〃，也就是把好多个电池做成很薄的层然后叠

在一起，这样可以用很小的体积达到很高的效率，

在这方面日产汽车公司走在行业的最前面。

为了提高使用便捷度，目前很多锂电汽车都可

以使用普通家庭电压充电，但充电时间长达数小

时。若要大规模推广锂电池汽车，建立相应的快速

充电站仍然必不可少。不过今年3月份，日本研究

人员已研发出一种新型〃锂一空气〃电池，无需充

电，只需更换正极的水性电解液，通过卡盒等方式

更换负极的金属锂就可以连续使用。也就是说，充

电的设施更像添加物体的〃加油站〃，而不是带着大

插销的〃充电站〃。

除了电池以外，人们还想出了各种给电动车蓄

能的方式，比如曾经有人想过用转速奇快的飞轮来

蓄能。但这个飞轮一旦破碎，就变成了炸弹，所以

不靠谱。现在主要研究方向还是用电池。除了锂离

子电池，还有一种电池很有前途，就是〃