如今，電池在我們的日常生活中幾乎無處不在。可以說，電池是人類社會(huì)發(fā)展過程中一項(xiàng)偉大的發(fā)明，它不但擁有精彩而悠久的歷史，也將擁有同樣璀璨的未來。

從本質(zhì)上講，電池就是一種能夠?qū)?chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備。基本上，電池就是一個(gè)小型化學(xué)反應(yīng)器，通過反應(yīng)出現(xiàn)高能電子，并將之注入到外部設(shè)備。

前世與今生

電池出現(xiàn)之早超出了我們的想象。1938年，巴格達(dá)博物館的負(fù)責(zé)人在該博物館的地下室中，找到了現(xiàn)在被稱為“巴格達(dá)電池”的原始電池。分析表明，該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)了很多的爭(zhēng)論。有關(guān)它的用途眾說紛紜，可能的假說包括用于電鍍、止痛或者是人們通過與之接觸時(shí)的刺痛感，來出現(xiàn)宗教體驗(yàn)。

美國發(fā)明家本杰明·富蘭克林在1749年首次使用了“Battery”這個(gè)詞語。當(dāng)時(shí)他使用了一組串聯(lián)的電容器來進(jìn)行電學(xué)實(shí)驗(yàn)。

真正意義上的現(xiàn)代電池是由意大利物理學(xué)家亞歷桑德羅·伏特于1800年發(fā)明的。他通過在一枚銅片和一枚鋅片中間夾上浸有鹽水的布片構(gòu)筑成一個(gè)小單元，再將這些小單元堆疊起來，就得到了“伏特堆”。導(dǎo)線將電堆的兩端連接起來，就能夠出現(xiàn)穩(wěn)定的電流。每一個(gè)小單元能夠出現(xiàn)0.76伏特的開路電壓。通過將這些小單元串聯(lián)，我們能夠得到的電壓相當(dāng)于每一個(gè)小單元電壓的總和。

蓄電池是目前已知最持久的電池之一，它發(fā)明于1859年，現(xiàn)在仍然用于大多數(shù)內(nèi)燃機(jī)汽車之中。它也是最早的可反復(fù)充電的電池。

時(shí)至今日，電池的尺寸可大可小，大至兆瓦級(jí)別，用于儲(chǔ)存太陽能電站的電力，以保證區(qū)域穩(wěn)定的能源供應(yīng)；小至紐扣大小，為你佩戴的電子手表供應(yīng)動(dòng)力。

不同的電池基于不同的化學(xué)反應(yīng)，這也使得每一個(gè)不同的小單元有著不同的開路電壓，通常在1.0至3.6伏特之間。通過串聯(lián)這些小單元，我們能夠新增電壓；而并聯(lián)這些小單元?jiǎng)t能夠增強(qiáng)電流。這一規(guī)律被我們用來新增電壓和電流，以供應(yīng)我們所要的電流和電壓，即便是兆瓦級(jí)別的電池，它的電壓和電流也是通過這個(gè)最基本規(guī)律所得。

人們預(yù)測(cè)，電池技術(shù)將再次迎來飛躍。新的電池模型將能夠從家用太陽能和風(fēng)能裝置中獲取足夠的能量，并有足夠的容量將其儲(chǔ)存，在合適的時(shí)間（通常是夜晚）為一整個(gè)家庭供應(yīng)未來數(shù)天所需的電力。

電池如何工作

在電池內(nèi)部，當(dāng)化學(xué)反應(yīng)開始時(shí)，額外的電子被釋放出來，電池即開始放電。額外電子釋放的過程，就好像是在鐵氧化生銹的過程中，鐵與氧氣發(fā)生反應(yīng)，將電子釋放給氧氣，形成鐵的氧化物。

標(biāo)準(zhǔn)的電池構(gòu)造是將兩塊化學(xué)勢(shì)不同的金屬或是化合物用一層多孔絕緣體隔開。化學(xué)勢(shì)即是儲(chǔ)存于原子與化學(xué)鍵之間的能量，當(dāng)電子能夠自由地在連接它的外部設(shè)備中移動(dòng)的時(shí)候，這些能量能夠傳遞給那些運(yùn)動(dòng)的電子。

鹽水這樣的導(dǎo)電液體常常被用來傳輸可溶解的離子，在反應(yīng)過程中，這些離子在溶液中可以從一種金屬的表面轉(zhuǎn)移到另一種金屬的表面，我們通常稱這樣的導(dǎo)電液體為電解質(zhì)。

在放電過程中，失去電子的金屬或化合物被稱為陽極，得到電子的金屬或化合物被稱為陰極。在外電路中，電子流從陽極流向陰極，這就是我們用以驅(qū)動(dòng)電力設(shè)備的“電流”。

一次的與充電的

出現(xiàn)電流之后，有些電池的狀態(tài)無法逆轉(zhuǎn)，我們將這種電池稱為一次電池。當(dāng)反應(yīng)物之一消耗殆盡，這種電池便無法再使用了。

最常見的一次電池是碳鋅電池。若電解質(zhì)為堿性，這種電池能更加持久耐用。這也就是我們通常在超市購買到的堿性電池。

處理一次電池的難度在于，我們不能通過再次充電來回收利用這些電池。在電池大型化的今天，回收利用變得愈發(fā)重要，并且頻繁地更換電池也不具備商業(yè)可行性。

世界上最早的充電電池之一，鎳鎘電池，同樣使用的是堿性電解質(zhì)。在1989年，鎳氫電池發(fā)明問世，這種電池?fù)碛斜孺囨k電池更長(zhǎng)的壽命。

這一類電池有關(guān)充電過量過熱十分敏感，因此充電功率應(yīng)當(dāng)控制在一個(gè)最大功率之下。不過設(shè)計(jì)精巧的控制器能夠使充電速度加快，我們也就不再要為了充電而苦等幾個(gè)小時(shí)了。

現(xiàn)在，像是手機(jī)和筆記本電腦中的應(yīng)用，一直追尋的目標(biāo)就是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，但是我們也能夠找到一些應(yīng)對(duì)之法。比如有關(guān)手機(jī)電池，因?yàn)樗容^小巧，所以我們可以通過在電池中加入限流器來提高它的安全性。

不過隨著越來越多的大型電池投入應(yīng)用，人們會(huì)愈發(fā)關(guān)注這些體積巨大、單元眾多的大型電池的安全問題。

第一次飛躍：鋰離子電池

時(shí)至今日，絕大多數(shù)的新技術(shù)都要求電池具有更加緊湊的設(shè)計(jì)、更加充沛的電力、更好的安全性，還要電池能夠充電再利用。

1980年，美國物理學(xué)教授約翰·古迪納夫發(fā)明了一種新型的鋰離子電池。在這種鋰離子電池中，鋰能夠在電池中以鋰離子的形式，穿梭于兩個(gè)電極之間。

鋰是周期表中最輕的元素之一，同時(shí)擁有著極強(qiáng)的電化學(xué)勢(shì)，這兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)使得它能夠以最小的體積供應(yīng)最高的電壓。

而這一點(diǎn)正是鋰離子電池的基礎(chǔ)。在這種新電池中，鋰和過渡金屬（比如鈷、鎳、錳以及鐵）與氧的化合物作為陰極。在外加電壓之后，再次充電開始，帶正電的鋰離子從陰極遷移到石墨材料制成的陽極，重新變?yōu)榻饘黉嚒?/p>

因?yàn)榻饘黉囉兄鴺O強(qiáng)的電化學(xué)推動(dòng)力，所以金屬鋰極容易被氧化，它會(huì)遷移至陰極并再次成為鋰離子，將外層電子交給過渡金屬離子（比如鈷離子）。在這一循環(huán)中的電子移動(dòng)為我們供應(yīng)了我們所需的電流。

第二次飛躍：納米技術(shù)

由于過渡金屬的加入，鋰離子每一個(gè)小單元都能夠供應(yīng)更高的能量，但是反應(yīng)活性的提高也會(huì)帶來負(fù)面效果，電池會(huì)更容易受到一種被稱為“熱散逸”現(xiàn)象的影響。

在上世紀(jì)90年代，索尼公司生產(chǎn)了一種氧化鋰鈷電池（這也是第一款商用鋰離子電池），但是嚴(yán)重的“熱逸散”導(dǎo)致了很多這一型號(hào)的電池著火。假如該問題無法得到解決，那么為了獲得更好的反應(yīng)活性，使用納米材料制作電池陰極的設(shè)想也就無從談起了。

依然是古迪納夫引入了一種由鋰、鐵以及磷酸鹽構(gòu)成的新的鋰離子電池陰極，這種穩(wěn)定的電極是電池技術(shù)的又一次大飛躍。

伴隨著新電池的不斷發(fā)展，很多新應(yīng)用也應(yīng)運(yùn)而生。從電動(dòng)工具到混合動(dòng)力汽車與純電動(dòng)汽車，我們都能夠找到鋰離子電池的影子，或許未來最重要的應(yīng)用，將是為住宅供應(yīng)家用電能。

電動(dòng)汽車

在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，領(lǐng)頭羊無疑是特斯拉公司。該公司計(jì)劃修建超級(jí)電池廠Gigafactory，用以生產(chǎn)適合用于純電動(dòng)汽車的大型電池。該公司旗下S型汽車裝備的鋰離子電池電池組容量已經(jīng)達(dá)到驚人的85千瓦時(shí)。

這樣的電池組容量，已經(jīng)足夠一個(gè)普通家庭的要了，也正因?yàn)槿绱耍蠹矣嘘P(guān)伊隆·馬斯克公布的新產(chǎn)品——家用電池powerwall有了更多的期待。

電池設(shè)計(jì)的模塊化或許能夠創(chuàng)造一種新的、可交互的電池模式，這樣的電池既能夠在汽車中使用，也能夠在家居生活中使用，而無需重新設(shè)計(jì)和組建。

或許我們正是一個(gè)時(shí)代的見證者，在這個(gè)時(shí)代里，能源又一次要更新?lián)Q代，而為我們供應(yīng)能源的未來大型電池，正是由最初那枚毫不起眼的小電池不斷升級(jí)而來的。

（來源：《TheConversation》，文章有刪節(jié)、標(biāo)題有改動(dòng)）（作者系美國昆士蘭科技大學(xué)教授）