從正極到負極的循環

如果你告訴我你可以劃船不用漿、揚帆不用風，我信！你告訴我你可以離開電池生活，放在200年前我也信，但是現在你打死我我也不信！電視機的遙控器是需要用電池的；熱水器是需要用電池來點火的；你的手機毫無疑問更是需要用電池的；電腦的主板也需要電池來記錄BIOS信息；手上戴的手表，它同樣需要用電池（用機械手表的請飄過）；開車出門，你的車也同樣需要蓄電池……電池這家伙做事向來很低調，總是藏在不起眼的地方，不過它從誕生至今已滲透在我們每個人生活的方方面面。

最早的電池

電池的發明，不得不提到一位意大利科學家Luigi Galvani（伽伐尼，1737～1798）。伽伐尼平時是玩解剖的，1780年深秋的一天他在一個潮濕的鐵案板上解剖一只青蛙，當他的解剖刀觸及青蛙大腿上的神經時，這時已經掛掉的青蛙的大腿很不正常地抽搐了一下。伽伐尼以嚴謹的Geek精神又重復做了幾次這個實驗，還換用不同的金屬接在一起，比如銅和鐵或者銅和銀的配搭，然后把金屬的兩端分別接在那只曾經出現過不正常抽搐的青蛙的肌肉與神經上，青蛙就會不停地發抖。但當伽伐尼換用松香、玻璃之類的介質連接青蛙的肌肉與神經就不會出現這樣的現象，于是他認為這是一種生物電現象，并且在1791年發表了《關于電對肌肉運動的作用》的論文。

伽伐尼的實驗似乎離電池有點遠，但是這卻引起了另一位意大利物理學家AlessandroVolta（亞歷山德羅·伏打，1745～1827）的強烈興趣，并且想出了更多更新鮮的玩法。他用舌頭同時添著一枚金幣和一枚銀幣，然后用導線將兩枚硬幣連接起來，在接通的瞬間，他發現舌頭有發麻的感覺。在玩了一段時間之后，伏打也寫了一篇論文總結玩的成果。伏打不同意伽伐尼生物電的觀點，他認為掛掉的青蛙腿是不會放電的，是外部產生的電流刺激了青蛙腿使其發生痙攣。伏打認為金屬不僅是導體，而且它們才是真正的電流激發者，伏打把這種由金屬接觸產生的電流稱為“金屬的”、“接觸的”電流。在這以后，伏打玩得一發不可收拾，他發現當金屬浸入某些液體時也能發生同樣的電流效應。伏打用更多的銀片和鋅片（30對、40對、60對）接觸，把它們浸入鹽水或者堿水……這就是伏打在1800年3月20日宣布的舉世聞名的發現——伏打電池。當然，這是最原始的電池，是用很多銀鋅組成的電池組。這是人類歷史上第一個能產生持續而穩定電流的裝置，為電流效應的應用作出了重大的貢獻。后來伏打還試用了不同的電解液，最終用硫酸替代了鹽水，這種電池的原理一直被應用到現在，比如現在汽車上的電瓶。

TIPS：

科學界用伏打的姓氏作為電勢差（電壓）的單位。“伏特”其實就是“伏打”，音譯問題，看看就好。

TIPS：關于古代電池的傳說

1936年，一群考古學家在伊拉克巴格達附近的一個村莊玩，他們發現了一些陶罐，這些陶罐的內壁附著著一層銅箔，在陶罐的中間固定著一根鐵柱。這些科學家認為這可能是人類歷史上最早的電池，距今大概2000年左右，他們還相信那時的人們用檸檬汁或者醋等酸性物質充當電解質。據說現代的復制品還成功地產生了電流。但這些陶罐也很可能是用來存放經卷的，而以上這一切都沒有確切的證據，也許這將成為一個永遠的迷而存在。

和世界一起進步

在伏打電池發明之前，人們只能用摩擦發電機旋轉來發電，再將電存放在Leydenjars（萊頓瓶）中，獲得的電量非常小，并且無法保證電力的穩定和持久，自然無法滿足相關電氣的研究。伏打電池的發明，使電的取得變得非常方便，猶如一道曙光照進電氣文明，使電氣相關研究風生水起。在此后漫長的200多年中，電池的發展很好很強大，自然也就衍生出了很多的新型電池種類，因為沒人想背著伏打電池聽Walkman，也沒人想背著伏打電池打電話……

TIPS：

萊頓瓶是在18世紀時科學家們用來儲存電量的一個電容器。其實，它就是一個玻璃瓶子，只不過在這個玻璃瓶的內外壁都涂有一層金屬箔，并且在瓶子的中間插有一根電極。在當時，科學家們把幾個玻璃罐排在一起，然后用金屬掛鉤連接每個瓶子的電極以獲得更強大的電流輸出。

1800

伏打電池的改進：

雖然伏打很牛X，但是伏打的原始電池模型還是有一定技術缺陷的，一個重要的問題就是太多的金屬塊壓在浸入電解液的帆布上，電解液就被壓出來造成短路。其實問題很簡單，金屬塊豎著放會將帆布里的電解液壓出來，那并排著倒著放就不會出現這樣的問題了，一個叫WilliamCruickshank的英國人就想到了這點，制作了一個被稱作trough battery的盒子來替代原來的玻璃瓶。

1844

The Grove celll

William Robert Grove（格羅夫）在1844年制造出了更優秀的電池。Grove cell用浸在硫酸溶液中的鋅作為電池的陽極，用泡在硝酸溶液中的鉑作為電池的陰極，并且用了一個多孔的玻璃管來將他們分開。這讓Grovecell有著近2倍于Daniell Cell的電壓，并且在一段時間內獲得了美國電報網絡的親耐。但當Grove cell釋放出有毒的二氧化氮時，它的電壓也會急劇下降。毫無疑問，人們需要更好的電池。

1836

The Daniell cell

伏打電池的使用壽命是很短的，而且在使用過程中會因為電解液與鋅的反應產生大量的氫氣氣泡。1836年的時候，一個名叫JohnFrederic Daniell（丹尼爾）的英國化學家想到了在硫酸中混合硫酸銅來抵消氫氣的產生。丹尼爾用一個銅制容器盛裝硫酸銅溶液，再將一個裝滿硫酸溶液滿身是孔（允許離子通過）的玻璃罐浸在里面。有了這個過濾罐，在電流產生之前，銅離子也不會漂移到鋅陽極而減弱電流。這就是傳說中的Daniell cell。

1859

鉛酸電池：

最早的可充電電池

當時存在的電池在其所有化學反應完成時將被永久地遺棄。在1859年，法國人Gaston Planté（普蘭特）發明了鉛酸蓄電池，這也是最早的二次電池，這種電池一直被應用到現在。不過，最早的開口式鉛酸蓄電池需經常加硫酸和水維護，這樣很容易腐蝕電池周邊的設備，對環境也有不小的污染。1996年以后生產的鉛酸蓄電池大多由開口式升級成了閥控式，也就是我們常說的免維護蓄電池。

1866

The Leclanché cell

Georges Leclanché（勒克謝），又是一個法國人，他用鋅汞合金作為電池的陽極，把二氧化錳和碳的混合物作為電池的陰極，并在這些混合物中插入一根碳棒作為電流收集器。在二氧化錳中混合了適當比例的碳以及碳棒的加入，改善了電解質的導電性和反應的充分性，從而可以提供長時間的電流。這就是傳說中的錳鋅電池。

1887

碳鋅電池：

最早的干電池

一個英國人Carl Gassner在氯化銨中加入了石膏，這樣電解液就成了黏糊狀的膏體，然后在里面混點氯化鋅（用以延長電池的使用時間），加點二氧化錳，插一根碳棒，最后把他們統統密封在一個鋅制的殼子里（同時鋅殼也作為電池的陽極），最早的干電池就這樣誕生了。干電池的電解液不會泄漏，比那種用瓶瓶罐罐裝電解液的電池好攜帶多了，因此引得粉絲一地。

TIPS：

同在1887年，Frederik Louis Wilhelm Hellesen（赫勒森）也發明出了干電池，他一直自稱自己的發明早于Carl Gassner。這個問題就留給他們自己到上帝面前再去爭吧。

1875

西門子硒光電池

1875年，德國技師Werner Von Siemens（西門子）制成了第一個硒光電池，雖然西門子當時是提議將它用來進行光量測定的，但這卻揭開了太陽能電池的序章。西門子能發明硒光電池，他要好好感謝一下一個叫史密斯的英國人（雖然英國叫這名字的人挺多），正是史密斯在1873年發現的“內光電效應”給西門子的硒光電池提供了理論依據。“內光電效應”就是……這是高中物理的知識，自己去翻課本，《Geek》不負責補習高中物理知識。

1889

1889-燃料電池

早在1839年，William Robert Grove發明格羅夫電池之前，他就通過將水的電解過程逆轉而發現了燃料電池的原理。但由于在自然界不能隨意地得到氫氣，人們就一直想用煤氣作為燃料，但天不遂人愿，這項偉大的工程一直沒有實現。到了1866年，Werner VonSiemens又發現了機電效應，這項發現又推動了發電機的發展。可惜那個時候還沒有能源危機的說法，燃料電池技術還顯不出重要性來。Mond（蒙德）和Langer（萊格）在1889年首先提出了燃料電池這個概念，不過內燃機在當時風頭正勁，自然也沒有人理他們。直到1959年，培根成功研制出了氫氧燃料電池，才引起了人們強烈的興趣。之后，山姆大叔開始玩航空，他們把培根的燃料電池進行改進，并將其成功的用在了1965年的雙子星座飛船和1966年的阿波羅飛船上。從那時起，人們才見識到燃料電池的無窮威力。

燃料電池主要由燃料電極（正極）、空氣/氧氣電極（負極）和電解液三個部分組成一個電化學系統。燃料電池工作時從正極處的氫氣中抽取電荷（氫被電氧化或稱“被燃燒掉”），這些負電荷流到正極，而余下的正電荷（氫離子）通過電解液被送到負極與氧氣發生反應并從負極吸收電荷。過程似乎有一點復雜，但你只要知道這一反應的產品是電流、熱量和水就行了，這就是人們想得到的東西。由于燃料電池是冷燃燒，不會燃燒出火焰，二氧化硫、一氧化碳和氮氧化物的排放量都非常低；燃料電池中也沒有運動的部件，比如轟隆作響的發電機，所以燃料電池工作時很安靜而且沒有機械磨損；燃料的化學能直接轉化為電能，比其他形式的電效率都高。

1899

鎳鎘電池：

最早的堿性電池

瑞典科學家Waldmar Jungner（容納）發明了容納電池，這也是最早的鎘鎳電池。容納用鎳和鎘作為電池的電極，用氫氧化鉀作為電解液，這種電池具有循環壽命長、自放電較小、性能穩定，并可以通過大電流放電等一系列優點。但它當時的價格比鉛酸電池貴多了，而且存在記憶效應，所以也才有了后來替代它的鎳氫電池。

1955

普通堿性電池

在上20世紀50年代，碳鋅電池還是非常流行的，但是它的使用壽命太短了，影響了它的銷售。1955年，一個在Eveready（現在被稱為Energizer，也就是勁量）上班的工程師Lewis Urry被公司委以為碳鋅電池擴展銷路的重任，但Urry覺得堿性電池應該有更大的市場。不過當時使用壽命長的堿性電池都很貴，Urry想出了在堿性溶液中加入二氧化錳和鋅粉末的替代方案，這種普通的堿性電池在1959年被成功地投放市場。

1971

鎳氫電池

美國人Stanford R. Ovshinsky研制出了金屬氫化物鎳電池，它具有能量密度高、快速充放電、無毒、無污染及無記憶效應的特點。因為在通常情況下鎘是有毒的，而鎳氫對環境的破壞很小。

1903

鎳鐵電池

容納也發明了鎳鐵電池，但鎳鐵電池在充電的時候會產生不少氫氣，所以鎳鐵電池是不能被密封的。愛迪生采用容納的部分設計制造出了愛迪生電池，并在1903年開始銷售。愛迪生想用更輕巧、更耐用的鎳鐵電池替代早期汽車上的鉛酸電池，不過最早的愛迪生電池卻很容易泄漏而降低電池的壽命。

1970s~1990s

鋰電池、鋰離子電池

1983年，美國化學家John B. Goodenough率領一個團隊在日本索尼公司開始研究鋰離子電池。鋰離子電池在90年代得到迅速發展和應用，被廣泛應用于醫療、電子、通信、航空和軍事等領域。

1996年，科學家們在鋰離子電池的基礎上研制出了聚合物鋰離子電池。聚合物鋰離子電池用固體聚合物復合材料代替了液體電解液，這讓電池可以有一個靈活的包裝，而不是一輩子都背著一個僵化的鐵殼。這也意味著電池可以擁有各種形狀，以適應各種不同的電子設備，比如手機、筆記本電腦。

現在與未來同行

我們平時生活中最容易看到的是AAA電池、鋰離子電池及鉛酸電池。比如你電腦桌上的無線鼠標、放在床頭的手電筒都是使用的AAA電池；而你到哪里都背著的筆記本電腦、天天使用的手機里面就裝鋰離子電池；滿大街跑的汽車、摩托車上使用的大個大個的鉛酸蓄電池等。它們都是目前我們生活中的主流電池，雖然我們的生活離不開它們，但它們還存在很多不足。要知道1節1號電池爛在地里能使1平方米土地永久失去利用價值，1粒鈕扣電池可使600噸水受到污染。從保護我們有且僅有一個的、美麗的地球出發，所以我們必須用更環保、更耐用的電池將它們取代。隨著我們的筆記本越來越小、手機越來越薄，這要求新型的電池不僅容量要更大，還必須具有小型化、高功率、環保等特點。

電池爆炸這事兒我想你們也都聽說了，而且不是一次兩次了。我們從小到大耳濡目染，都知道 “安全第一”，定時炸彈般的電池肯定不能用，這對電池的結構、制造工藝都提出了新的要求。現在的人平時都很忙，都希望電池的容量夠大、充放電夠快、充放電次數夠多，電池在大型化和快速充放電發展過程中的安全問題也就越突出，對安全控制和保障體系的要求也越高。如此高的要求當然會讓我們的鋰離子兄弟難以招架，還好有更好更強大的聚合物電解質鋰離子電池和直接甲醇燃料電池站了出來。直接甲醇燃料電池是在質子交換膜燃料電池的基礎上研究和發展起來的，直接以甲醇為燃料，環保又經濟，非常適合作為手機、筆記本電腦的電池。

鋅空氣電池也是取代鋰鈷氧化物新材料中的前驅者。其中鋅是作為負極的活性物質，氧氣是作為正極的活性物質，因此無需傳統電池中的鉛、汞、鎘、鎳等化學元素。這就降低了成本，也解決了環保部門上門找麻煩的問題。不過，現在的鋅空氣電池在自由充電方面遇到了一點問題，套用《瘋狂的石頭》中的一句臺詞，“出了一點小意外，情況還在我控制之中”。廣大電池生產廠商都在積極尋求解決方案，優秀的鋅空氣電池產品出現在我們身邊只是時間問題。

石油越賣越貴，電動汽車的需求自然越來越多，這也直接帶動了太陽能電池的快速發展，不過現在的太陽能電池大多使用單晶硅。通常的晶體硅太陽能電池是在厚度350~450μm的高質量硅片上制成的，這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成，因此實際消耗的硅材料更多且轉換效率不高。它當然會被滾滾的歷史浪潮淹沒，取而代之的將是轉換效率更高、成本更低的多晶硅電池、多晶硅薄膜電池和非晶硅薄膜電池。