電池技術(shù)這么重要，它是怎么發(fā)明出來呢?電池如何走出續(xù)航、安全等困境？

2019-05-29 10:01:22來源：新浪科技

出品| 《科學(xué)大家》、墨子沙龍

撰文| 陳立桅中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員

在日常生活中，電池?zé)o處不在。現(xiàn)在每個人都離不開智能手機，但經(jīng)常會對電池的續(xù)航能力發(fā)出抱怨。除了手機和電腦，還有很多常用的電動工具，年輕人和孩子們的玩具或者機器人，乃至重要的電動汽車，核心都需要用到電池。

除了這些大家耳熟能詳?shù)奈锲罚渌椒矫婷嬉捕夹枰秒姵亍１热纾幸恍┎∪税惭b心臟起搏器，心臟起搏器電池壽命就和病人的生活質(zhì)量有很大關(guān)系，因為電池用完了，就需要再動一次手術(shù)專門來替換電池;如果想用風(fēng)能、太陽能或者其他可再生能源，就需要電網(wǎng)有很好的儲能能力;當然還有太空衛(wèi)星，這些都需要電池技術(shù)。

無處不在的電池

青蛙：電池發(fā)明的大功臣

電池技術(shù)這么重要，它是怎么發(fā)明出來的呢?

1786年，在意大利博洛尼亞大學(xué)有一個解剖學(xué)家叫伽伐尼，他在做青蛙解剖實驗的時候發(fā)現(xiàn),金屬的解剖刀觸碰到青蛙肌肉的時候，青蛙會跳，腿會有痙攣的現(xiàn)象。這個發(fā)現(xiàn)讓人非常驚訝，他認為這里有生物電。

在公元十八世紀時，人們對電的認識主要來自摩擦起電和自然界的雷電，所以之前跟電有關(guān)的現(xiàn)象，皮毛摩擦、萊頓瓶等都是靜電。在青蛙腿上發(fā)現(xiàn)跟摩擦生電一樣的現(xiàn)象，在當時的確是令人驚奇的。1791年這個成果發(fā)表以后，引起人們很大重視。

比如，它引起了意大利另外一位大學(xué)教授伏打的注意。伏打重復(fù)并且檢驗伽伐尼的實驗，在重復(fù)很多次之后，他想：青蛙腿痙攣的現(xiàn)象，會不會跟生物沒有關(guān)系?蛙腿或許只是一個導(dǎo)體?

為了證明這個觀點，他把跟生物有關(guān)的因素都除去，用兩種不同的金屬來產(chǎn)生電流。的確，最終他用像活潑的鋅和不活潑的銀或銅這樣不同的金屬，浸在有鹽水的紙板里，產(chǎn)生了持續(xù)的電流。這就是人類歷史上第一個電池——伏打電堆。

伏打親手制作的“伏打電堆”，現(xiàn)藏于意大利伏打博物館，圖片來源：維基百科

1800年伏打的這個研究使人們對電的認識從靜電進入到動電。當時征服了意大利的拿破侖認識到這個研究工作很重要，授予了伏打爵士身份。直至現(xiàn)在我們物理學(xué)中電壓的單位“伏特”也是以他的名字命名。

當然，這個工作的重要性不僅僅在于得了獎，它為電磁學(xué)的出現(xiàn)和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。法拉第的電磁感應(yīng)實驗是在1831年做的，如果當初沒有伏打電堆，法拉第就沒有辦法做電磁感應(yīng)實驗，人類就沒有辦法建立電磁學(xué)知識體系。

那么伽伐尼是不是錯了?實際上伽伐尼非常堅持自己的看法，他認為自己的實驗是沒有問題的，并且做了很長時間實驗來驗證。伏打說電流來自兩種不同的金屬，伽伐尼干脆去做一個實驗，不用任何金屬，他用青蛙的神經(jīng)去碰青蛙腿的肌肉，發(fā)現(xiàn)青蛙腿還是會痙攣，這說明即使沒有金屬，沒有外界的伏打電堆，生物也會對電信號有反應(yīng)，還是存在生物電。

所以伽伐尼也是對的。這個現(xiàn)象在經(jīng)過多年深入研究后，最終產(chǎn)生了現(xiàn)代的電生理學(xué)。我們到醫(yī)院去做心電圖、腦電圖，都跟電生理學(xué)有關(guān)，無論美國還是中國，都在研究神經(jīng)科學(xué)、腦科學(xué)，這些信號傳輸都是基于人體里離子產(chǎn)生的電流。

可以想象，在十八世紀到十九世紀轉(zhuǎn)折的階段，伽伐尼和伏打的學(xué)術(shù)爭論，對于人類知識體系的構(gòu)建非常有意義。

根據(jù)伏打的結(jié)論，只要有兩種不同的金屬，有傳導(dǎo)離子的媒介，很多東西都可以做電池，浸了鹽水的紙也可以用來做電池。一個比較有趣的事情，我們用水果也可以做電池，如下圖。

水果電池

電池是如何進行充放電的？

十九世紀以來，很重要的一件事是鉛酸電池的發(fā)展，鉛酸電池是1859年發(fā)明的，電動自行車等很多場景用的就是鉛酸電池。1990年商業(yè)化的鋰離子電池也是一個重要的里程碑。現(xiàn)在已經(jīng)有一個龐大的電池家族，除了剛才展示的化學(xué)電池，還有太陽能電池、溫差電池、核電池、燃料電池、生物電池，其中像太陽能電池、溫差電池屬于能量轉(zhuǎn)換裝置，剛才講的化學(xué)電池如果是可充電電池，都是儲存式電池。

電池是怎么工作的?我們通過鋰離子電池了解一下。普遍的搖椅式的鋰離子電池，它的工作原理可以通過兩個圖來做一些粗淺了解。

“搖椅式”鋰離子電池的工作原理

左圖右上角顯示電池的狀態(tài)是空的，說明它是全放的狀態(tài)，也就是放電完了。這個視頻要演示在充電的過程中間，電池內(nèi)部發(fā)生了什么。大家注意幾個點，紅的顆粒代表鋰離子，藍的小顆粒代表這里面產(chǎn)生的電子。可以看到電子在電池的外面，從右邊走到左邊，鋰離子從電池的內(nèi)部從右邊走到左邊。到左邊的過程，實際上就是充電的過程。

對應(yīng)的，右圖顯示的是放電的過程，鋰離子在電池內(nèi)部運動，從左邊走到右邊，電子在外部的電路運動，也是從左邊走到右邊。這就是它充放電過程的機制。

這樣一個來回移動的過程，為什么可以儲存能量，這個能量怎么來的?

電池儲存能量的機制

來看一下能量空間，用一個水池做類比。左邊是負極，右邊是正極，綠色的像水一樣的就是鋰離子或者電子，初始狀態(tài)是充滿能量的。

剛開始是放電的過程，這些能量比較高的電子或鋰離子把它的能量放掉，兩個電極之間逐漸拉平，能量逐漸拉平，這是一個自發(fā)的過程。

充電的時候，則通過外界的電把能量儲存進去，鋰離子和電子的勢能增加，就把能量充進去。這樣一個充放電的過程，電子和離子在不同的位置，但是它的能量有升高和降低，這就是整個鋰離子電池儲存能量的工作原理。

七道工序鑄就鋰離子電池

知道這個原理之后，再來看看這么多鋰離子電池，它是怎么被生產(chǎn)出來的?

鋰離子電池生產(chǎn)的第一道工序是混漿，把活性電極材料、導(dǎo)電添加劑、黏合劑都混在一起，這里有一個攪拌機，把它攪拌成均勻分散的漿料。第二步是涂布，把黑乎乎的漿料涂到極片的集流體上。第三步是裁剪，把涂好的極片裁剪成所需要的形狀。

這個是極耳，極片的耳朵，是把電引出來的地方，極耳是很多時候電池出問題的原因，大家知道前些年三星手機電池爆炸，經(jīng)過詳細調(diào)查以后，發(fā)現(xiàn)問題就出在極耳有短路的可能性，最終導(dǎo)致電池爆炸。

下一步就是這些電池要疊片，剛才講到電壓不夠時我就把它疊的多一點，實際上在電池里面也是一樣的，在內(nèi)部也需要把更多的電能儲存進去，所以要疊很多的片。第五步把疊好的片子放到一個外包的殼里面，裝成一個袋子。第六步注液，就是把電解液裝到這個袋子里面去，這個電解液是離子傳導(dǎo)的媒介，就象剛才水果電池里的媒介檸檬一樣。最后把電池封裝起來，拿去做測試或者使用。

可以看到，在一個工廠里面，電池的生產(chǎn)步驟牽涉到很多，從材料、設(shè)備、工藝到自動化控制。

電池續(xù)航、安全等困境：前沿研究能解決嗎？

當前電池研究在做什么?大家已經(jīng)看到，可以通過自動化工廠生產(chǎn)很多電池，那么現(xiàn)在的電池還有些什么問題，為什么還要做研究?

第一個研究方向是提高電池能量密度。大家如果自己開電動汽車，經(jīng)常碰到里程焦慮，眼看電池顯示快沒電了，但是還沒有到下一個充電站，就會有里程焦慮。

看一個典型的例子，一個五座的小汽車，車重大約900公斤，如果續(xù)航里程需要達到500公里，估算需要400多公斤的電池，也就是說電池會占車重的二分之一到三分之一，對整個交通工具來說，它的能量效率是不高的。

所以希望電池的能量密度更高，單位體積的材料能夠容納的鋰離子更多，正負極之間的電壓越高，電池的能量密度就越高。車身的重量越小，電動車的續(xù)航越長，所以這是一個非常重要的方向。

第二個研究方向是提高電池的安全性。這張照片是特斯拉的汽車在行駛的過程中，碰到了地上一個尖銳的突起，造成了嚴重的安全事故。

大家知道特斯拉的電池是做在底盤上的，雖然做了安全性能防護，但是在這個事故當中，它的電池被尖銳的突起扎穿，相當于造成了電池短路，最終使電池起火，所以電池的安全性很重要。

這是實驗室做的一個安全性測試，用兩個相同能量密度(205Wh/kg)的電池進行針刺實驗，一個是沒有經(jīng)過處理的電池，一個是經(jīng)過材料改進以后的電池，沒有處理的電池發(fā)生了嚴重的燃爆，這個電池是10Ah，一輛普通的乘用車大概有400-500個這樣的電池。

大家可以想像，如果發(fā)生短路或者撞擊到尖銳物體等極端情況，安全性不好的電池實際上是很危險的，這也是為什么要不斷提升它的能量密度，但同時也提升它的安全性的原因，這是電池的一個重要研究方向。

電池技術(shù)，可以使人類生活更加綠色

未來還需要研發(fā)什么樣的電池?需要把電池工業(yè)做的更加綠色、更加環(huán)保、更加低成本。剛才演示的這些電池，都需要用到鋰元素、鈷元素、鎳元素，在元素周期表上可以看到金屬鋰分布不高，鈷和鎳都屬于比較稀有的元素，它們的儲量很有限。

像金屬鈷，在整個地球上主要出產(chǎn)于剛果金，這是一個政治上不太穩(wěn)定的國家，所以金屬的來源有問題。

因此，電池領(lǐng)域都在開發(fā)含有其他元素，像鈉、鎂、鈣、鋁這些儲藏分布更豐富的材料所做的電池，甚至利用有機材料、綠色生物質(zhì)材料來做電池。

電池研發(fā)其實有很多高大上的研究工具。中國的散裂中子源在廣東東莞，中國是繼美國、日本、英國以后第四個有散裂中子源的國家，有意思的是散裂中子源上的第一個實驗數(shù)據(jù)和第一篇發(fā)表的論文，都是跟鋰電池有關(guān)的。

還有上海光源，包括同步輻射光源和自由電子激光器，以及歐洲的同步輻射光源，蘇州的真空互聯(lián)大裝置上有一個鋰電的研究平臺，還有日本的超級光源spring-8。

大家可以看到這些電池研究，未來也會用到有趣的、最先進的工具。

電能無論是使用還是傳輸，都需要一個比較穩(wěn)定的負荷負載。但風(fēng)能和太陽能是間歇性的，有時候有云飄過來，發(fā)電的量就少，所以怎么使這些電網(wǎng)更加穩(wěn)定?就需要有強大的電池進行儲能的削峰填谷(注：削峰填谷是調(diào)整用電負荷的一種措施，使發(fā)電、用電趨于平衡)。所以未來需要運用儲能的裝置，電動汽車也可以作為分布式的儲能裝置，整合到整個智能電網(wǎng)里面。

除了可再生能源，未來的人類社會也會更加智能，現(xiàn)在大家都講5G物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，講人工智能和超級計算等。實際上很多移動的裝置，家庭智能家居，在路上車子互相之間會有信息的溝通和交流，未來整個地球都會互聯(lián)在一起。不僅是能源的互聯(lián)，也是信息的互聯(lián)，所有在互聯(lián)的物體、器件，都需要電池，沒有電池就不能工作，電池可以使未來更加綠色、更加智能、更加移動。

注：本文整理于作者在墨子沙龍上演講，有刪減。

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