能源儲存之四

在上一講中，我們知道了電池是如何被發明的，我用非化學的語言簡單地解釋了電池的工作原理，今天，我再給出一個化學上的解釋。

說說氧化還原反應

在種種化學反應當中，有一類叫做氧化還原反應，“氧化”“還原”是怎么回事呢?其實很簡單，一種材料被“氧化”了，就是這種材料失去了電子：一種材料被“還原”了，就是它得到了電子，為了方便大家理解，我們不妨給這種反應改改名字，就叫做失電子一得電子反應吧，在這種反應過程中，參與反應的物質中的電子有了重新選擇“居住地”的機會，不同的物質能夠給電子們提供的“生存”環境的“舒適度”不盡相同，電子們似乎更加喜歡“穩定”的生活。不大喜歡散漫高能量的狀態，所以一旦有機會，它們就會從一種不穩定的物質那里“搬”出來，到另一種更穩定的物質那里“居住”，就拿汽油和氧氣來作個例子吧，很顯然，電子們在汽油中呆著，就“沒著沒落”的，所以汽油被點燃和氧氣發生反應之后，電子們就紛紛從汽油那里“搬到”氧氣那里，在這種化學反應中。不僅僅有電子的轉移，反應物中的原子們也會重新“洗牌”，在原子重新排列之后，不同于反應物的全新物質就誕生了。

在化學反應中，參與反應的物質之間往往是零距離的，是親密無間的，所以電子做的是短途旅行，就好像輕輕一小跳，就到了，物質間的電子是“手把手”地進行交接的，我們知道，電流，顧名思義就是一定要有電子流動，要流動總要給它提供一個足夠的流動距離吧。

但是化學反應中的電子，還沒有流動起來，就到達目的地了，所以。我們如果要利用化學反應去產生電能，產生電流，就要拉長物質間電子轉移的距離，同時也要相應地拉長物質間原子轉移的距離，假設有物質甲和物質乙，它們非常想反應，如果我們不讓甲、乙互相接觸，而是在它們之間連上一根金屬導線，就形成了電流，再把能夠讓原子(離子)在其中流通的媒介(即電解質)置于甲、乙物質之間，一個化學反應就變成了一個電池，換句話說，一個電池就是一個間接進行氧化還原反應的裝置，推廣考慮，所有的氧化還原反應，從原理上來說，都可以用來做成電池，關鍵的問題在于，這么做是否經濟，是否容易實現。

原電池的電解質

籠統上分類，電池可以分為原電池和可充電電池，原電池又叫做一次性電池，伏特當年發明的伏特電堆就是一種原電池，這種電池不能充電，用過之后，就沒用了，等待回收，對原電池充電是個非常壞的主意，不但不能充到電，反而可能引起事故，大家常見的干電池、鈕扣電池等大都是一次性電池，干電池，其包裝里面可不完全是“干”的，我們知道，電池工作需要電解質，如果電解質是液態的話，也叫做電解液，原電池的電解液，不是酸性的就是堿性的，具有很強的腐蝕性，為了防止電解液從電池中溢出，人們在電解液中摻了很多粉末，使得電解液濃稠得像漿糊一樣，大大增加了安全性，同學們或許還聽說過堿性電池，堿性指的就是電池中使用的是堿性電解液，堿性溶液比酸性溶液更不容易腐蝕金屬，這進一步增加了原電池的安全性。

什么是可逆反應

在化學上，很多“失電子一得電子”的反應是可逆的，什么算是可逆反應呢?簡單來說就像是倒著播放錄像一樣，把一個化學反應過程錄下來，然后倒著播放，這就是一個化學反應的逆反應了，剛剛誰從誰那里搶來的電子、原子，現在要乖乖地、一個一個地歸還回去，如何來實現逆反應呢?買個錄像機是不可能解決問題的，而要通過施加“外力”，對于電池，就是我們平時熟知的充電過程。

充電電池的發明

最早的可充電電池是1859年由法國物理學家Gaston Plant發明的鉛酸電池，歷經一個半世紀之久，這種電池依然有著廣泛的應用，并且在諸多領域依舊占據著統治地位，大家熟悉的電動自行車絕大多數用的是鉛酸電池，鉛酸電池的一大優點是它的回收工藝非常成熟，這使得這種電池的生產成本非常低，它的缺點是能量密度太低了!

1899年，瑞典發明家Waldemar Jungner發明了鎳鎘電池，鎳鎘電池的能量密度是鉛酸電池的2倍，同時可充電次數是鉛酸電池的5倍，高能量密度使得鎳鎘電池一出現就占據了小型、便攜充電電池的市場，這個統治地位一直延續到1989年鎳氫電池的商業化為止。

鎳鎘電池的一大缺陷是使用了具有毒性的金屬鎘作為電極材料，到20世紀60年代，工業界開始嘗試使用其他材料(合金金屬氫化物)取代金屬鎘，這不僅降低了電池材料的毒性，更重要的是，這個改進使得這種電池的能量密度有了顯著提高，這個項目最初的研究是由大家熟悉的一家汽車公司資助的，這家公司生產著名的豪華商用車——梅賽德斯一奔馳汽車。

責任編輯 程哲