浅谈电池的发展与未来

浅谈电池的发展与未来

王一英

（北京师范大学天津生态城附属学校，天津  滨海新区 300450 ）

摘要：电池出现的时间之早超出了我们的想象，分析表明，这一原始电池可以追溯到公元前250年，属于美索不达米亚文明时期的造物，这枚最早的电池引发了很多的争论。电池是一项伟大的发明，拥有精彩而悠久的历史，也将拥有同样璀璨的未来。文章对电池的早期发展和未来应用进行了阐述。

关键词：电池；工作原理；电池类型

一、电池的历史衍变

1938年，巴格达博物馆主任在该博物馆的地下室中，找到了现在被称为“巴格达电池”的原始电池。对于它的用途，人们众说纷纭，可能的假说包括用于电镀，止痛或者是人们通过与之接触时的刺痛感，来产生宗教体验。

    美国发明家本杰明•富兰克林在1749年首次使用了“Battery”这一词语。当时他使用了一组串联的电容器来进行电学实验。真正意义上的现代电池是由意大利物理学家Alessandro Volta于1800年发明的。他通过在一枚铜片和一枚锌片中间夹上浸有盐水的布片构筑成一个小单元，再将这些小单元堆叠起来，就得到了“伏打电堆”。导线将电堆的两端连接起来，就能够产生稳定的电流。每一个小单元能够产生0.76伏特（V）的开路电压。通过将这些小单元串联，我们能够得到电压相当于每一个小单元电压的总和。

    时至今日，电池的尺寸可大可小，大至兆瓦级别，用于储存太阳能电厂或是变电站的电力，以保证某一区域稳定的能源供应；小至纽扣大小，为你佩戴的电子手表提供动力。不同的电池基于不同的化学反应，这也使得每一个不同的小单元有着不同的开路电压，通常在1.0至3.6V之间。通过串联这些小单元，我们能够增加电压；而并联这些小单元则能够增强电流。这一规律被我们用来增加电压和电流，以提供我们所需要的电流和电压，即便是兆瓦级别的电池，它的电压和电流也是通过这个最基本规律得到的。

二、电池的工作原理

    当化学反应开始时，额外的电子被释放出来，电池即开始放电。额外电子释放的一个例子是在铁氧化生锈的过程中，铁与氧气发生反应，将电子释放给氧气，形成铁的氧化物。标准的电池构造是将两块化学势不同的金属或是化合物用一层多孔绝缘体隔开。化学势即是储存于原子与化学键之间的能量，当电子能够自由地在连接的外部设备中移动的时候，这些能量能够传递给那些运动的电子。

盐水这样的导电液体常常被用来传输可溶解的离子，在反应过程中，这些离子在溶液中可以从一种金属的表面转移到另一种金属的表面，我们通常称这样的导电液体为电解质。在放电过程中，失去电子的金属或化合物被称为阳极，得到电子的金属或化合物被称为阴极。在外电路中，电子流从阳极流向阴极，这就是我们用以驱动电力设备的“电流”。

三、电池的类型

1、一次电池vs充电电池

    产生电流之后，有些电池的状态无法逆转，我们将这种电池称为一次电池。当反应物之一消耗殆尽，这种电池便无法再使用了。最常见的一次电池是碳锌电池。若电解质为碱性，这种电池能更加持久耐用。这也就是我们通常在超市购买到的碱性电池。我们在日常生活中常用的碱性电池。处理一次电池的难度在于，我们不能通过再次充电来回收利用这些电池。在电池大型化的的今天，回收利用变得愈发重要，并且频繁地更换电池也不具备商业上的可行性。

世界上最早的充电电池之一，镍镉电池，同样使用的是碱性电解质。在1989年，镍氢电池（NiMH）发明，这种电池拥有比镍-镉电池更长的寿命。这一类电池对于充电过量过热十分敏感，因此充电功率应当控制在一个最大功率之下。不过设计精巧的控制器能够使充电速度加快，我们也就不需要为了充电苦等几个小时了。充电电池能够多次使用。

现在的应用——像是手机和笔记本电脑——一直追寻的目标就是在尽可能小的空间里储存尽可能多的能量。随着单位体积内能量的提高，突然放电的危险性也在上升，但是我们也能够找到一些应对之法。比如对于手机电池，因为它比较小巧，所以我们可以通过在电池中加入限流器来提高它的安全性。不过随着越来越多的大型电池投入应用，人们会愈发关注这些体积巨大、单元众多的大型电池的安全问题。

2、第一次飞跃：锂离子电池

    时至今日，绝大多数的新技术都要求电池具有更加紧凑的设计、更加充沛的电力、更好的安全性，还需要电池能够充电再利用。1980年，美国物理学教授John Goodenough发明了一种新型的锂电池。在这种锂电池中，锂能够在电池中以锂离子的形式，穿梭于两个电极之间。锂是周期表中最轻的元素之一，同时拥有着极强的电化学势，这两点优势使得它能够以最小的体积提供最高的电压。而这一点正是锂离子电池的基础。在这种新电池中，锂和过渡金属（比如钴，镍，锰以及铁）与氧的化合物作为阴极。在外加电压之后，再次充电开始，带正电的锂离子从阴极迁移到石墨材料制成的阳极，重新变为金属锂。因为金属锂有着极强的电化学推动力，所以金属锂极容易被氧化，它会迁移至阴极并再次成为锂离子，将外层电子交给过渡金属离子（比如钴离子）。在这一循环中的电子移动为我们提供了我们所需的电流。

3、第二次飞跃：纳米技术

    由于过渡金属的加入，锂离子每一个小单元都能够提供更高的能量，但是反应活性的提高也会带来负面效果，电池会更容易受到一种被称为“热散逸”现象的影响。在90年代，索尼生产了一种氧化锂钴电池（译者注：这也是第一款商用锂离子电池），但是严重的“热逸散”导致了很多这一型号的电池着火。如果这一问题无法得到解决，那么为了获得更好的反应活性，使用纳米材料制作电池阴极的设想也就无从谈起了。这一次，站出来的依然是Goodenough。他引入了一种由锂、铁以及磷酸盐构成的新的锂离子电池阴极，这种稳定的电极是电池技术的又一大飞跃。伴随着新电池的不断发展，很多新应用也应运而生。从电动工具到混合与电动力汽车，我们都能够找到锂离子电池的影子，或许其中最重要的应用，将是为住宅提供家用电能。无线电动工具的出现要感谢充电电池的进步。

4、石墨烯电池

石墨烯电池，利用锂离子在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出的一种新能源电池。中国在石墨烯研究上也具有独特的优势，从生产角度看，作为石墨烯生产原料的石墨，在我国储能丰富，价格低廉。另外，批量化生产和大尺寸生产是阻碍石墨烯大规模商用的最主要因素。利用化学气相沉积法成功制造出了国内首片15英寸的单层石墨烯，并成功地将石墨烯透明电极应用于电阻触摸屏上，制备出了7英寸石墨烯触摸屏。中科院重庆绿色智能技术研究院的研究人员在展示单层石墨烯产品的超强透光性和柔性。由于石墨烯拥有超乎想像的导电能力，石墨烯电池概念成为突破目前电池技术瓶颈的救命稻草，尤其国内电动汽车行业但凡有技术突破都与石墨烯电池挂钩。

四、电池的未来  

随着研究的不断深入，技术难题的接连攻克，应用范围也在不断拓宽，相信石墨烯器件时代已为期不远，现在也可以期待一下这一“21世纪的神奇材料”会带来怎样的惊喜。新型石墨烯电池实验阶段的成功，无疑将成为电池产业的一个新的发展点。电池技术是电动汽车大力推广和发展的最大门槛，而目前的电池产业正处于铅酸电池和传统锂电池发展均遇瓶颈的阶段，石墨烯储能设备的研制成功后，若能批量生产，则将为电池产业乃至电动车产业带来新的变革。

参考文献：

[1]李镢贵,韩民义.电动汽车电池的使用现状和发展趋势[J].农机使用与维修,2022,No.314(10):73-75.

[2]王伟. 高中化学教师学科理解水平评价研究[D].华中师范大学,2020.

1