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

2019-05-29 10:01:22來(lái)源：新浪科技

出品| 《科學(xué)大家》、墨子沙龍

撰文| 陳立桅中國(guó)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(gè)人都離不開(kāi)智能手機(jī)，但經(jīng)常會(huì)對(duì)電池的續(xù)航能力發(fā)出抱怨。除了手機(jī)和電腦，還有很多常用的電動(dòng)工具，年輕人和孩子們的玩具或者機(jī)器人，乃至重要的電動(dòng)汽車(chē)，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?yàn)殡姵赜猛炅耍托枰賱?dòng)一次手術(shù)專(zhuān)門(mén)來(lái)替換電池;如果想用風(fēng)能、太陽(yáng)能或者其他可再生能源，就需要電網(wǎng)有很好的儲(chǔ)能能力;當(dāng)然還有太空衛(wèi)星，這些都需要電池技術(shù)。

無(wú)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(lái)的呢?

1786年，在意大利博洛尼亞大學(xué)有一個(gè)解剖學(xué)家叫伽伐尼，他在做青蛙解剖實(shí)驗(yàn)的時(shí)候發(fā)現(xiàn),金屬的解剖刀觸碰到青蛙肌肉的時(shí)候，青蛙會(huì)跳，腿會(huì)有痙攣的現(xiàn)象。這個(gè)發(fā)現(xiàn)讓人非常驚訝，他認(rèn)為這里有生物電。

在公元十八世紀(jì)時(shí)，人們對(duì)電的認(rèn)識(shí)主要來(lái)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(dāng)時(shí)的確是令人驚奇的。1791年這個(gè)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(yàn)伽伐尼的實(shí)驗(yàn)，在重復(fù)很多次之后，他想：青蛙腿痙攣的現(xiàn)象，會(huì)不會(huì)跟生物沒(méi)有關(guān)系?蛙腿或許只是一個(gè)導(dǎo)體?

為了證明這個(gè)觀點(diǎn)，他把跟生物有關(guān)的因素都除去，用兩種不同的金屬來(lái)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(lèi)歷史上第一個(gè)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(lái)源：維基百科

1800年伏打的這個(gè)研究使人們對(duì)電的認(rèn)識(shí)從靜電進(jìn)入到動(dòng)電。當(dāng)時(shí)征服了意大利的拿破侖認(rèn)識(shí)到這個(gè)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(dāng)然，這個(gè)工作的重要性不僅僅在于得了獎(jiǎng)，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(shí)驗(yàn)是在1831年做的，如果當(dāng)初沒(méi)有伏打電堆，法拉第就沒(méi)有辦法做電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)，人類(lèi)就沒(méi)有辦法建立電磁學(xué)知識(shí)體系。

那么伽伐尼是不是錯(cuò)了?實(shí)際上伽伐尼非常堅(jiān)持自己的看法，他認(rèn)為自己的實(shí)驗(yàn)是沒(méi)有問(wèn)題的，并且做了很長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。伏打說(shuō)電流來(lái)自?xún)煞N不同的金屬，伽伐尼干脆去做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，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(huì)痙攣，這說(shuō)明即使沒(méi)有金屬，沒(méi)有外界的伏打電堆，生物也會(huì)對(duì)電信號(hào)有反應(yīng)，還是存在生物電。

所以伽伐尼也是對(duì)的。這個(gè)現(xiàn)象在經(jīng)過(guò)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(wú)論美國(guó)還是中國(guó)，都在研究神經(jīng)科學(xué)、腦科學(xué)，這些信號(hào)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(jì)到十九世紀(jì)轉(zhuǎn)折的階段，伽伐尼和伏打的學(xué)術(shù)爭(zhēng)論，對(duì)于人類(lèi)知識(shí)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(lái)做電池。一個(gè)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(jìn)行充放電的？

十九世紀(jì)以來(lái)，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(dòng)自行車(chē)等很多場(chǎng)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(gè)重要的里程碑。現(xiàn)在已經(jīng)有一個(gè)龐大的電池家族，除了剛才展示的化學(xué)電池，還有太陽(yáng)能電池、溫差電池、核電池、燃料電池、生物電池，其中像太陽(yáng)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(chǔ)存式電池。

電池是怎么工作的?我們通過(guò)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(guò)兩個(gè)圖來(lái)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(shuō)明它是全放的狀態(tài)，也就是放電完了。這個(gè)視頻要演示在充電的過(guò)程中間，電池內(nèi)部發(fā)生了什么。大家注意幾個(gè)點(diǎn)，紅的顆粒代表鋰離子，藍(lán)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(guò)程，實(shí)際上就是充電的過(guò)程。

對(duì)應(yīng)的，右圖顯示的是放電的過(guò)程，鋰離子在電池內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，從左邊走到右邊，電子在外部的電路運(yùn)動(dòng)，也是從左邊走到右邊。這就是它充放電過(guò)程的機(jī)制。

這樣一個(gè)來(lái)回移動(dòng)的過(guò)程，為什么可以?xún)?chǔ)存能量，這個(gè)能量怎么來(lái)的?

電池儲(chǔ)存能量的機(jī)制

來(lái)看一下能量空間，用一個(gè)水池做類(lèi)比。左邊是負(fù)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(mǎn)能量的。

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

充電的時(shí)候，則通過(guò)外界的電把能量?jī)?chǔ)存進(jìn)去，鋰離子和電子的勢(shì)能增加，就把能量充進(jìn)去。這樣一個(gè)充放電的過(guò)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(gè)鋰離子電池儲(chǔ)存能量的工作原理。

七道工序鑄就鋰離子電池

知道這個(gè)原理之后，再來(lái)看看這么多鋰離子電池，它是怎么被生產(chǎn)出來(lái)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(gè)攪拌機(jī)，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(gè)是極耳，極片的耳朵，是把電引出來(lái)的地方，極耳是很多時(shí)候電池出問(wèn)題的原因，大家知道前些年三星手機(jī)電池爆炸，經(jīng)過(guò)詳細(xì)調(diào)查以后，發(fā)現(xiàn)問(wèn)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(shí)我就把它疊的多一點(diǎn)，實(shí)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(chǔ)存進(jìn)去，所以要疊很多的片。第五步把疊好的片子放到一個(gè)外包的殼里面，裝成一個(gè)袋子。第六步注液，就是把電解液裝到這個(gè)袋子里面去，這個(gè)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(lái)，拿去做測(cè)試或者使用。

可以看到，在一個(gè)工廠(chǎng)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(dòng)化控制。

電池續(xù)航、安全等困境：前沿研究能解決嗎？

當(dāng)前電池研究在做什么?大家已經(jīng)看到，可以通過(guò)自動(dòng)化工廠(chǎng)生產(chǎn)很多電池，那么現(xiàn)在的電池還有些什么問(wèn)題，為什么還要做研究?

第一個(gè)研究方向是提高電池能量密度。大家如果自己開(kāi)電動(dòng)汽車(chē)，經(jīng)常碰到里程焦慮，眼看電池顯示快沒(méi)電了，但是還沒(méi)有到下一個(gè)充電站，就會(huì)有里程焦慮。

看一個(gè)典型的例子，一個(gè)五座的小汽車(chē)，車(chē)重大約900公斤，如果續(xù)航里程需要達(dá)到500公里，估算需要400多公斤的電池，也就是說(shuō)電池會(huì)占車(chē)重的二分之一到三分之一，對(duì)整個(gè)交通工具來(lái)說(shuō)，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(fù)極之間的電壓越高，電池的能量密度就越高。車(chē)身的重量越小，電動(dòng)車(chē)的續(xù)航越長(zhǎng)，所以這是一個(gè)非常重要的方向。

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

大家知道特斯拉的電池是做在底盤(pán)上的，雖然做了安全性能防護(hù)，但是在這個(gè)事故當(dāng)中，它的電池被尖銳的突起扎穿，相當(dāng)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(shí)驗(yàn)室做的一個(gè)安全性測(cè)試，用兩個(gè)相同能量密度(205Wh/kg)的電池進(jìn)行針刺實(shí)驗(yàn)，一個(gè)是沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的電池，一個(gè)是經(jīng)過(guò)材料改進(jìn)以后的電池，沒(méi)有處理的電池發(fā)生了嚴(yán)重的燃爆，這個(gè)電池是10Ah，一輛普通的乘用車(chē)大概有400-500個(gè)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(shí)際上是很危險(xiǎn)的，這也是為什么要不斷提升它的能量密度，但同時(shí)也提升它的安全性的原因，這是電池的一個(gè)重要研究方向。

電池技術(shù)，可以使人類(lèi)生活更加綠色

未來(lái)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(chǔ)量很有限。

像金屬鈷，在整個(gè)地球上主要出產(chǎn)于剛果金，這是一個(gè)政治上不太穩(wěn)定的國(guó)家，所以金屬的來(lái)源有問(wèn)題。

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

電池研發(fā)其實(shí)有很多高大上的研究工具。中國(guó)的散裂中子源在廣東東莞，中國(guó)是繼美國(guó)、日本、英國(guó)以后第四個(gè)有散裂中子源的國(guó)家，有意思的是散裂中子源上的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)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(gè)鋰電的研究平臺(tái)，還有日本的超級(jí)光源spring-8。

大家可以看到這些電池研究，未來(lái)也會(huì)用到有趣的、最先進(jìn)的工具。

電能無(wú)論是使用還是傳輸，都需要一個(gè)比較穩(wěn)定的負(fù)荷負(fù)載。但風(fēng)能和太陽(yáng)能是間歇性的，有時(shí)候有云飄過(guò)來(lái)，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(qiáng)大的電池進(jìn)行儲(chǔ)能的削峰填谷(注：削峰填谷是調(diào)整用電負(fù)荷的一種措施，使發(fā)電、用電趨于平衡)。所以未來(lái)需要運(yùn)用儲(chǔ)能的裝置，電動(dòng)汽車(chē)也可以作為分布式的儲(chǔ)能裝置，整合到整個(gè)智能電網(wǎng)里面。

除了可再生能源，未來(lái)的人類(lèi)社會(huì)也會(huì)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(jí)計(jì)算等。實(shí)際上很多移動(dòng)的裝置，家庭智能家居，在路上車(chē)子互相之間會(huì)有信息的溝通和交流，未來(lái)整個(gè)地球都會(huì)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(méi)有電池就不能工作，電池可以使未來(lái)更加綠色、更加智能、更加移動(dòng)。

注：本文整理于作者在墨子沙龍上演講，有刪減。

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