魂?duì)科噭?chuàng)新，電池逐夢(mèng)二百年

今天，隨處可見的電池著實(shí)沒有太大的誘人之處，然而，回顧汽車文明演進(jìn)的曲折歷程，我們不難發(fā)現(xiàn)，小小的電池在其中扮演了極其重要的“角色”。電池技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)于汽車發(fā)展的影響有目共睹，并將深刻影響著未來汽車文明的走向。

電池發(fā)明，“電動(dòng)”夢(mèng)起

電力文明的誕生極大地改變了人類文明的進(jìn)程，因此成為人類歷史上的一個(gè)重要里程碑，包括汽車在內(nèi)的交通運(yùn)輸業(yè)，自然也是電力文明最為重要的受惠領(lǐng)域之一。

在19世紀(jì)二三十年代，在世界范圍內(nèi)，馬車仍然是人們主要的交通工具。以畜力為動(dòng)力的交通時(shí)代，就是當(dāng)時(shí)生產(chǎn)力發(fā)展水平的典型例證。人們何嘗不想尋求改變呢，只是沒有更好的替代方案罷了。事實(shí)上，伏打電池的誕生，不僅促進(jìn)了電學(xué)自身的進(jìn)展，而且也喚醒了人類的“電動(dòng)夢(mèng)”。

其實(shí)，自然界的生命世界中普遍存在著生物電的現(xiàn)象。比如，心臟的跳動(dòng)、肌肉的收縮、眼睛的開閉、大腦的思維等活動(dòng)，都會(huì)伴隨有生物電流的產(chǎn)生和變化。但是很少有人對(duì)其進(jìn)行認(rèn)真的研究，并探索出其中的更多秘密。伏打電池就是在生物電的啟發(fā)下被發(fā)明出來的，并對(duì)人類文明的發(fā)展起到了積極的作用。

1780年，意大利科學(xué)家伽伐尼在一次解剖青蛙時(shí)獲得了一個(gè)意外發(fā)現(xiàn)，那就是生物電的存在。當(dāng)時(shí)，他把一只已解剖好的青蛙放在一個(gè)潮濕的鐵案上，當(dāng)解剖刀無(wú)意中觸及蛙腿上外露的神經(jīng)時(shí)，解剖好的青蛙腿居然猛烈地抽搐了一下……伽伐尼感到十分新奇，并立即重復(fù)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果這種現(xiàn)象得到了重復(fù)。

伽伐尼選擇多種不同的金屬（銅、鐵、銅、銀等）材料連接在一起，把另兩端分別與死蛙的肌肉和神經(jīng)相接觸，結(jié)果青蛙就會(huì)不停地屈伸抽動(dòng)。如果用玻璃、橡膠、松香、干木頭等物體來代替上述實(shí)驗(yàn)中的金屬材料，就不會(huì)發(fā)生上述現(xiàn)象。因此他認(rèn)為這是一種生物電現(xiàn)象，并發(fā)表了相關(guān)的研究論文。

1791年，意大利物理學(xué)家伏打?qū)しツ岬陌l(fā)現(xiàn)很感興趣，因此進(jìn)行了一系列的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，甚至還在自己身上做了實(shí)驗(yàn)。他認(rèn)為伽伐尼發(fā)現(xiàn)的生物電在本質(zhì)上是一種物理電現(xiàn)象，蛙腿本身是不放電的，只是外來電使蛙腿神經(jīng)興奮而發(fā)生痙攣罷了。

伏打在伽伐尼實(shí)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上，致力于研究?jī)煞N不同金屬接觸時(shí)的電行為。他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把某種金屬浸入某些液體之中時(shí)，往往也會(huì)發(fā)生同樣的電流效應(yīng)。這個(gè)發(fā)現(xiàn)使伏打感到異常興奮，并為之進(jìn)行了不懈的努力。

1800年3月20日，伏打宣布了一個(gè)重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，這就是著名的“伏打電池”。他用銀片和鋅片兩種不同的金屬做電極，用鹽水或其他導(dǎo)電溶液作為電解液，從而構(gòu)成了電流回路。在伏打之前，人們只能應(yīng)用摩擦發(fā)電機(jī)來發(fā)電，并將電荷存放在萊頓瓶中。這種發(fā)電的方法十分麻煩，得到的電量也受到很大限制。伏打電池克服了這些缺點(diǎn)，使得電荷的獲取變得非常方便。

那么，伏打電池都能干些什么呢？這在當(dāng)時(shí)無(wú)疑是一個(gè)亟待探索的課題。德國(guó)人利用伏打電池進(jìn)行了電解水研究；英國(guó)人利用伏打電池進(jìn)行了電解氯化鉀、氯化鈉的研究；英國(guó)化學(xué)家戴維利用伏打電池進(jìn)行了放電實(shí)驗(yàn)；丹麥人奧斯特利用伏打電池進(jìn)行了磁針偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。

于是有人就想到，伏打電池既然可以作為電磁學(xué)和化學(xué)研究的有力工具，那么它能否取代畜力來驅(qū)動(dòng)交通工具呢？這也許就是電動(dòng)汽車概念的萌芽。

電池升級(jí)，“電動(dòng)”追夢(mèng)

盡管伏打電池是一種比較原始的電池裝置，但它卻是人類歷史上第一個(gè)人為產(chǎn)生穩(wěn)定、持續(xù)電流的裝置。因此，這一發(fā)明足以讓全世界為之興奮。當(dāng)時(shí)的法國(guó)皇帝拿破侖一向?qū)W(xué)者很尊重，1800年11月20日，他在巴黎召見了伏打。為了表彰伏打?qū)θ祟惖木薮筘暙I(xiàn)，科學(xué)界用他的姓氏來命名電壓的單位，我們現(xiàn)在所使用的“伏特”（簡(jiǎn)稱“伏”）就是這樣得來的。

伏打電池是由很多銀鋅電池連接而成的電池組，在應(yīng)用時(shí)可以通過增減其連接的電池單元數(shù)來調(diào)節(jié)電壓。伏打電池的發(fā)明為研究電流現(xiàn)象提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)也為電流效應(yīng)的應(yīng)用開啟了一扇大門。

大約在1802年，蘇格蘭化學(xué)家克魯克香克研究了伏打電池，并利用其進(jìn)行了許多涉及電解的實(shí)驗(yàn)。他對(duì)伏打電池進(jìn)行了改進(jìn)，從而發(fā)明了槽式電池。這種電池是將方形銅片和鋅片排列成一個(gè)長(zhǎng)方形放入裝滿電解質(zhì)溶液的木箱中制造而成。槽式電池的優(yōu)點(diǎn)是電解質(zhì)不易損失，并且可以儲(chǔ)存更多的能量。

克魯克香克發(fā)明的槽式電池被認(rèn)為是第一種可以大規(guī)模生產(chǎn)的電池。電池的進(jìn)步加快了其應(yīng)用的步伐，并在許多方面發(fā)揮了作用。電池有了，能否引發(fā)一場(chǎng)動(dòng)力革命呢？許多國(guó)家的發(fā)明家敏銳地意識(shí)到了電池的巨大潛力，并投身于“電動(dòng)夢(mèng)”的實(shí)踐活動(dòng)之中。

匈牙利工程師耶德利克被認(rèn)為是世界上第一個(gè)研究電動(dòng)車的科學(xué)家。耶德利克于1828年開發(fā)出了早期的電動(dòng)機(jī)。他設(shè)想的電動(dòng)模型車是以電力作為動(dòng)力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，并在實(shí)驗(yàn)室里完成了電傳裝置實(shí)驗(yàn)。

1831年，法拉第的電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，為打開電力大門提供了理論基礎(chǔ)。

1834年，一個(gè)名叫達(dá)文波特的美國(guó)鐵匠制造了一個(gè)電動(dòng)汽車模型，據(jù)稱可以在小型圓形電氣軌道上運(yùn)行。他發(fā)明的電動(dòng)機(jī)由電池供電，當(dāng)電流施加到固定磁鐵并通過換向器開關(guān)連接到車輪磁鐵時(shí)，車輪旋轉(zhuǎn)并驅(qū)動(dòng)汽車前進(jìn)。有人認(rèn)為，達(dá)文波特發(fā)明的電動(dòng)機(jī)是第一臺(tái)有望取得商業(yè)成功的電動(dòng)機(jī)，但由于沒有可以充電的電源而賣不出去。將一次性電池用作動(dòng)力電池不具備任何優(yōu)勢(shì)，除了續(xù)航里程短之外，成本居高不下也是一個(gè)原因。

二次電池，“電動(dòng)”夢(mèng)圓

1859年，法國(guó)發(fā)明家普蘭特研發(fā)了世界上第一塊鉛酸蓄電池。早期的模型是兩片被亞麻織物隔開的純鉛，浸漬在裝有硫酸溶液的玻璃瓶中。這是世界上第一種實(shí)用型的可充電電池，有望解決電動(dòng)汽車推廣中的瓶頸問題。

鉛酸蓄電池是一種能實(shí)現(xiàn)電能和化學(xué)能互換的技術(shù)裝置，在許多領(lǐng)域都獲得了普遍的應(yīng)用。鉛酸蓄電池由4個(gè)主要部分組成，即電極板（陽(yáng)極板與陰極板）、電解液、隔離板和電槽。鉛酸蓄電池中最為重要的材料就是電極板，構(gòu)成電極板的原料主要為鉛粉。鉛酸蓄電池中的電解液為硫酸，是參與電動(dòng)反應(yīng)的活性物質(zhì)，除了導(dǎo)電之外，也參與電極的反應(yīng)，經(jīng)放電而消耗，充電即可生成。隔離板是放置于兩極之間的板材，除了作為隔離電極的裝置外，還可以防止正、負(fù)極間的短路。

此后，法國(guó)科學(xué)家卡米爾·福爾對(duì)普蘭特原始電池進(jìn)行了改進(jìn)，極大地提高了普蘭特電池的商業(yè)價(jià)值。1881年，卡米爾·福爾為改進(jìn)版本申請(qǐng)了專利。該改進(jìn)版本為電池創(chuàng)造了一個(gè)更好的結(jié)構(gòu)，通過壓制氧化鉛形成板，并制造了一個(gè)鉛網(wǎng)格子，還在鉛板上涂上了氧化鉛、硫酸和水的糊狀物。這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)允許將多塊板組合在一起以獲得更大的功率，同時(shí)由于增強(qiáng)了其化學(xué)活性而使得能量密度較原始版本提高了不少。

事實(shí)上，卡米爾·福爾推出的優(yōu)雅版本后來一直為電動(dòng)汽車提供動(dòng)力。鉛酸蓄電池結(jié)構(gòu)日趨成熟，被應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)三輪車。英國(guó)天才發(fā)明家托馬斯·帕克發(fā)明頗多，被譽(yù)為“歐洲的愛迪生”。他于1884年發(fā)明的電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)化，并且在車輪上裝上了液壓制動(dòng)器。

1873年，英國(guó)人羅伯特·戴維森制作了一種實(shí)用的電動(dòng)汽車，其電池為鐵、鋅、汞合金與硫酸進(jìn)行反應(yīng)的一次性電池。美國(guó)發(fā)明家愛迪生還發(fā)明了一種由鎳、鐵和堿溶液制成的新型蓄電池，曾一度成為電動(dòng)汽車的主要能源。

經(jīng)過近一個(gè)世紀(jì)的探索，電動(dòng)汽車的擁有量激增。由于鉛酸蓄電池的價(jià)格低廉、性能可靠，因此在電動(dòng)汽車領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。到了20世紀(jì)初，早期版本的電動(dòng)汽車迎來了短暫的輝煌。同期，在美國(guó)注冊(cè)的汽車中，有40%為蒸汽動(dòng)力汽車，38%為電池動(dòng)力汽車，只有22%為汽油燃料汽車。

油車逆襲，“電動(dòng)”夢(mèng)滅

說起汽油車的逆襲，這里有許多方面的原因，但鉛酸蓄電池的進(jìn)步無(wú)疑也發(fā)揮了重要的作用。你可能不解，為何鉛酸蓄電池的進(jìn)步?jīng)]有讓電動(dòng)車更加輝煌，反倒助推汽油車的成功逆襲呢？

先來說說汽油車逆襲的社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面的原因。首先是石油資源的大規(guī)模開采，使得內(nèi)燃機(jī)燃料價(jià)格大幅下跌。其次是道路網(wǎng)絡(luò)的改善，使得汽油車可以以更快的速度行駛更遠(yuǎn)的距離。相較而言，由于電動(dòng)車存在成本較高以及“里程焦慮”的缺陷，自然在競(jìng)爭(zhēng)中失去了優(yōu)勢(shì)。

1912年，福特T型車的下線，對(duì)電動(dòng)汽車也是一個(gè)沉重的打擊。T型車是美國(guó)汽車制造商福特推出的一款新車型，代表了汽車工業(yè)史上的一個(gè)重要時(shí)刻。由于生產(chǎn)環(huán)節(jié)引入了裝配流水線，使得大規(guī)模生產(chǎn)變得輕而易舉，只需要33分鐘的時(shí)間就能造出一輛汽車，因此當(dāng)時(shí)T型車的成本大幅下降，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于當(dāng)時(shí)電動(dòng)汽車的成本。低廉的價(jià)格讓T型車成為了普通百姓的交通工具，而電動(dòng)汽車的銷量卻急轉(zhuǎn)直下。

為什么說鉛酸蓄電池助推了汽油車的逆襲呢？原來，鉛酸蓄電池催生的電起動(dòng)器，成為了終結(jié)汽油車手搖時(shí)代的一個(gè)重要原因。盡管鉛酸蓄電池在汽油車上并不提供前進(jìn)的動(dòng)力，但是它以獨(dú)特的起動(dòng)優(yōu)勢(shì)為汽油車提供了必不可少的輔助服務(wù)。

在當(dāng)今時(shí)代，現(xiàn)代汽車已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的技術(shù)水平，并且日趨完備的人性化和智能化設(shè)計(jì)讓消費(fèi)者倍感舒適。就拿汽車的起動(dòng)來說，除了鑰匙起動(dòng)之外，還有手機(jī)起動(dòng)、卡片起動(dòng)以及指紋傳感器起動(dòng)等智能化起動(dòng)方式。可是，早期的汽車起動(dòng)十分困難，甚至還有相當(dāng)大的風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)稱，早期的汽車點(diǎn)火是依靠手搖曲柄提供的動(dòng)力來起動(dòng)燃燒過程的。這種手搖曲柄為一種帶有手柄的金屬桿，搖動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)對(duì)司機(jī)的體力和技巧要求很高。因此，手搖曲柄起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)是一項(xiàng)高難度的作業(yè)，稍有不慎就有可能造成嚴(yán)重的傷害。事實(shí)上，在這方面造成的人身事故并不鮮見。

由于手搖曲柄的機(jī)械式起動(dòng)存在煩瑣、低效以及安全方面的缺陷，因此很多發(fā)明家想盡辦法對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。1911年，美國(guó)發(fā)明家凱特林開發(fā)完成了第一個(gè)實(shí)用的汽車電起動(dòng)系統(tǒng)。1912年，通用汽車把這個(gè)起動(dòng)器搭載到了凱迪拉克汽車上，使其成為世界上最早的電起動(dòng)汽車。

該發(fā)明徹底改變了汽車行業(yè)的面貌，告別了手搖曲柄起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的歷史，并為現(xiàn)代汽車中的電氣系統(tǒng)（如照明、點(diǎn)火和配件等）奠定了基礎(chǔ)。如果說凱特林發(fā)明的汽車電起動(dòng)系統(tǒng)是手搖時(shí)代的終結(jié)者，那么鉛酸蓄電池就是汽車電起動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力源泉。因?yàn)闆]有鉛酸蓄電池的發(fā)明，就不會(huì)有汽車電起動(dòng)系統(tǒng)的誕生和應(yīng)用。

汽車電起動(dòng)系統(tǒng)是由鉛酸蓄電池、起動(dòng)機(jī)、點(diǎn)火開關(guān)、起動(dòng)繼電器等多個(gè)部件組成的。只要駕駛員按下按鈕或轉(zhuǎn)動(dòng)鑰匙，就能夠起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程。其起動(dòng)工作原理，是通過起動(dòng)機(jī)把鉛酸蓄電池的電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)齒輪產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)而起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的。起動(dòng)機(jī)電路的通斷是由一個(gè)電磁開關(guān)來控制的，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)完成后即可自動(dòng)脫開。

低碳訴求，“電動(dòng)”夢(mèng)回

在全球能源短缺和環(huán)境日益惡化的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)下，電動(dòng)汽車的回歸已成大勢(shì)所趨。由于電動(dòng)汽車在能源和環(huán)保兩個(gè)方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此是汽車文明走向和諧之路的必然選擇。被譽(yù)為電動(dòng)汽車“心臟”和“神經(jīng)”的電池仍然是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，其發(fā)展水平和功能直接影響電動(dòng)汽車的發(fā)展空間。

不過，現(xiàn)在的汽車電池早已不是昔日的模樣和水平，電動(dòng)汽車的標(biāo)準(zhǔn)也早已今非昔比。電動(dòng)汽車承載了低碳環(huán)保的歷史使命，代表了汽車文明的發(fā)展方向。

現(xiàn)代意義的電動(dòng)汽車，一般是指全部或部分由電能驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)的汽車，它包括燃料電池電動(dòng)汽車、純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車三大類型。無(wú)論哪種動(dòng)力來源的電動(dòng)汽車，都離不開高性能的動(dòng)力電池來支撐。

所謂動(dòng)力電池，簡(jiǎn)單來說就是取代燃油汽車“油箱”的動(dòng)力裝置，即為電動(dòng)汽車提供動(dòng)力的電池。動(dòng)力電池應(yīng)具備較高的能量密度和循環(huán)壽命，以提供長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)的高功率輸出，滿足電動(dòng)汽車長(zhǎng)距離行駛的要求。

仍在現(xiàn)代電動(dòng)汽車中使用的鉛酸蓄電池，其扮演的角色與早期有所不同。在早期的電動(dòng)汽車中，鉛酸蓄電池是以動(dòng)力電池的身份發(fā)揮作用的；而在現(xiàn)代電動(dòng)汽車中，鉛酸蓄電池扮演的角色則是起動(dòng)電池。所謂起動(dòng)電池，是指用于電動(dòng)汽車起動(dòng)的電池，要求能夠提供高峰值電流。由于鉛酸蓄電池中的鉛有毒，因此汽車無(wú)鉛化的呼聲日趨高漲。鉛酸蓄電池能否被取代，則取決于替代方案的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性。據(jù)悉，比亞迪率先使用磷酸鐵鋰起動(dòng)電池取代鉛酸蓄電池，為推動(dòng)中國(guó)汽車整車無(wú)鉛化邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。

面向未來，“電動(dòng)”致遠(yuǎn)

看來，發(fā)展電動(dòng)汽車的瓶頸仍然是電池，只有研制出安全高效的動(dòng)力電池，電動(dòng)汽車才能一路走好。動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車能源的直接供給者，不僅決定了電動(dòng)汽車的行駛里程，而且關(guān)系到電動(dòng)汽車的節(jié)能、環(huán)保、安全以及消費(fèi)者體驗(yàn)等方面的性能。

衡量動(dòng)力電池的主要性能指標(biāo)包括比能量、比功率和使用壽命。比能量指的是電池單位質(zhì)量或單位體積所能輸出的電能，它決定了汽車行駛的時(shí)間長(zhǎng)短。比功率是評(píng)價(jià)電池是否滿足電動(dòng)汽車加速性能的重要指標(biāo)，指的是電池單位質(zhì)量或單位體積輸出的功率。至于使用壽命，則是越長(zhǎng)越好。

目前，鋰離子電池仍然是動(dòng)力電池的主力品種，包括三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池等。三元鋰電池是一種集高能量密度和高電壓為一體的儲(chǔ)能裝置，可應(yīng)用于電動(dòng)交通工具等領(lǐng)域。三元鋰電池具有很好的抗低溫性能，但熱穩(wěn)定性較差。磷酸鐵鋰電池是一種使用磷酸鐵鋰作為正極材料、碳作為負(fù)極材料的鋰離子電池，單體額定電壓為3.2伏，具有價(jià)格便宜、安全性好、熱穩(wěn)定性好、自燃風(fēng)險(xiǎn)小、循環(huán)壽命較長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，但磷酸鐵鋰電池的能量密度不如三元鋰電池高。

目前，我國(guó)已建成了全球最大規(guī)模的動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)體系，鋰離子電池的正極、負(fù)極、電解液和隔膜四大原材料基本上擺脫了進(jìn)口依賴，鋰電設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率已達(dá)到90%以上。

超級(jí)電容器是一種新型的高性能儲(chǔ)能器件，不僅能滿足動(dòng)力電池安全穩(wěn)定的快速充電要求，還實(shí)現(xiàn)了峰值功率輸出（起動(dòng)、爬坡、剎車等）需要的高功率輸出。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，氫燃料電池才是真正意義上的清潔能源。因?yàn)樗陔娊馑哪娣磻?yīng)，可以利用氫氣和氧氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能，產(chǎn)物只有水和熱，是真正的“零排放”。

面對(duì)日趨激烈的國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，我國(guó)不斷加大資金和技術(shù)投入，不斷提高動(dòng)力電池的效能以及可靠性和安全性等，并研制鈉電池、固態(tài)電池等一系列新型高效電池。

專家認(rèn)為，未來的汽車并不是一個(gè)單獨(dú)的體系，而是能源互聯(lián)網(wǎng)體系中的個(gè)體單元。因此，未來的電池還要肩負(fù)存儲(chǔ)和消納太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源的職能。未來的電動(dòng)汽車還要通過有序充電、車網(wǎng)互動(dòng)等措施來平衡和緩解電網(wǎng)的壓力。汽車電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將在電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化的大潮中大有作為。

【責(zé)任編輯】蒲 暉