電池在我們今天的生活中無處不在以至于幾乎被我們忽視。然而，它們卻是漫長而傳奇歷史中的一項卓越發(fā)明，而且它們也擁有同樣精彩的未來。

　　電池實際上是一個將儲存的化學能轉化成電能的裝置。基本上，電池是小型化學反應器，隨著化學反應產生高能電子，時刻準備流向外部設備。

　　電池已經(jīng)伴隨了我們相當長的時間。1938年巴格達博物館主任在博物館地下室發(fā)現(xiàn)了一個電池，現(xiàn)在被稱為“巴格達電池”。據(jù)分析它的起源時間和地點可以追溯到公元前250年的美索不達米亞。

　　關于這個最早的電池學術界存在不少爭議，它的具體用途也包括電鍍，緩解疼痛或一種宗教懲罰等不同說法。

　　美國科學家和發(fā)明家本杰明富蘭克林在1749年用一組串聯(lián)電容進行電力實驗時首次使用了“電池”這個術語。

　　第一個真正意義上的電池是由意大利物理學家亞歷山德羅伏特在1800年發(fā)明的。伏特將圓形的銅片和鋅片相間地疊起來，每一對銅、鋅片之間隔以鹽水浸濕的麻布片。

　　這時只要用兩條金屬線與任何兩種金屬接觸時就會產生連續(xù)穩(wěn)定的電流。每個單元(一組銅片、鋅片和鹽水)產生0.76伏特。把一組組的單元堆積起來，會獲得成倍的電量。

　　歷史最悠久的電池之一是1859年發(fā)明的鉛酸電池，今天啟動大部分內燃機汽車仍然采用這項技術。它是充電電池最古老的例子。

　　今天的電池尺寸多樣，大到用于太陽能發(fā)電廠或變電站存儲能源的保證整個村莊或島嶼供電的大型兆瓦尺寸，小到用于電子表的微型電池。

　　電池是基于不同的化學物質，這些物質產生的電池電壓一般在1-3.6V范圍。串聯(lián)電池增大電壓，并聯(lián)則增加電流。這個原理用來達到所需的電流和電壓，一直到兆瓦的尺寸。

　　電池是如何工作的?

　　電池放電時內部物質發(fā)生化學反應產生電能。一個產生電子的化學反應例子是，氧化鐵產生鐵銹。鐵與氧氣發(fā)生反應，電子與氧發(fā)生轉移生成氧化鐵。

　　電池的標準制造是使用具有不同電極電勢的兩種金屬或化合物，并將它們用一個多孔絕緣體分隔開。電極電勢是存儲在原子和化合物中的能量，當具有可用的外部設備連接時，實現(xiàn)電子的轉移。

　　導電流體如鹽水和用于傳輸可溶性離子的水溶液在化學反應中從一個金屬流向另一個金屬，被稱為電解質。

　　在放電過程中失去電子的金屬或化合物叫做陰極，接收電子的金屬或化合物叫陽極。通過外部連接實現(xiàn)電子從陽極到陰極的流動就是我們用來運轉我們的電子設備。

　　原電池和充電電池

　　產生電子流的化學反應過程不可逆的稱為原電池。反應物一次放電后電池容量耗盡。

　　最常見的原電池是碳鋅電池。當電解液是堿時，電池的持續(xù)時間更長。我們從超市買的都是堿性電池。

　　處理這些原電池最大的挑戰(zhàn)是找到重復利用它們的辦法。當使用的電池數(shù)量越來越多而且經(jīng)常替換它們非常不經(jīng)濟時，處理它們就變得更加重要。

　　最早的可充電電池，鎳鎘電池(NiCd)，也使用堿作為電解液。1989年開發(fā)除了鎳氫電池(NiMH)，它比鎳鎘電池壽命更長。

　　這些類型的電池對于充電過程中的過度充電和過熱非常敏感，因此充電率被控制在最大充電率之下。

　　復雜控制器可以加速充電過程，不需要花費數(shù)個小時來充電。

　　大多數(shù)簡單的充電器，充電過程需要一夜時間。

　　便攜式應用，如手機和筆記本電腦，一直在尋覓存貯量大體積小的充電裝置。這雖然增加了劇烈放電的風險，但是可以通過手機電池中電流限制器來進行控制。

　　第一次飛躍：鋰電池

　　新技術往往需要更緊湊、高容量，更安全的充電電池。

　　1980年美國物理學家JohnGoodenough教授發(fā)明了新型鋰電池，鋰(Li)可以通過電池從一個電極遷移到另一個電極形成Li+離子形態(tài)。

　　鋰是元素周期表中最輕的化學元素之一，具有最大的電化電勢，因此這樣的組合可以在最緊湊和最輕的體積下產生最大的電壓。

　　這是鋰離子電池的基礎。在這個新的電池中結合了過渡金屬，如鈷、鎳、錳、鐵和氧形成了陰極。在充電產生電壓時,帶正電的鋰離子從陰極遷移到石墨陽極成為金屬鋰。

　　由于鋰具有很強的被氧化的電化學驅動力，如果條件允許的話，它會回到陰極再次成為鋰離子形態(tài)并釋放出電子重回鈷離子狀態(tài)。這種電路中的電子運動就可以被我們當做電流加以利用。

　　第二次飛躍：納米技術

　　由于鋰離子電池中存在過渡金屬，電池的電容量較高，也因此更具活性容易出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象。

　　索尼公司在上世紀90年代制造的鋰鈷氧化物(LiCoO2)電池例子中，發(fā)生了多起起火事件。用納米材料制作電池陰極，使得電池更具活性有可能導致事故發(fā)生。

　　但在上世紀90年代，Goodenough再一次引發(fā)了電池技術飛躍，通過引入鋰鐵磷酸鹽用于制作穩(wěn)定的鋰離子陰極。

　　該陰極具備熱穩(wěn)定性。這也意味著納米磷酸鐵鋰(LiFePO4)或磷酸鐵鋰(LFP)材料現(xiàn)在可以安全地用于大型電池領域而且可以快速充電和放電。

　　這些新電池有了許多新的應用，從電動工具到混合電動汽車。也許最重要的應用將是國內家庭的電力存儲。

　　電動汽車

　　為汽車制造這種新電池格式的領導者是特斯拉電動汽車公司，這家企業(yè)計劃建設一個“Giga-plants”用于電池的生產。

　　特斯拉ModelS的鋰電池組的容量最大能達到讓人驚訝的85kWh。

　　這已經(jīng)足夠一個國內家庭的用電需要了，這也就是為什么大家對特斯拉創(chuàng)始人ElonMusk打算在本周揭曉的產品有如此多的猜測。

　　模塊化的電池設計可能創(chuàng)造電池模式的互換性，既適用于汽車也可用于家庭應用，無需重新設計和制造。

　　也許我們能夠見證由不起眼的電池驅動的能量生產和存儲的下一代技術變遷。