从正极到负极的循环

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如果你告诉我你可以划船不用浆、扬帆不用风，我信！你告诉我你可以离开电池生活，放在200年前我也信，但是现在你打死我我也不信！电视机的遥控器是需要用电池的；热水器是需要用电池来点火的；你的手机毫无疑问更是需要用电池的；电脑的主板也需要电池来记录BIOS信息；手上戴的手表，它同样需要用电池（用机械手表的请飘过）；开车出门，你的车也同样需要蓄电池……电池这家伙做事向来很低调，总是藏在不起眼的地方，不过它从诞生至今已渗透在我们每个人生活的方方面面。

最早的电池

电池的发明，不得不提到一位意大利科学家Luigi Galvani（伽伐尼，1737～1798）。伽伐尼平时是玩解剖的，1780年深秋的一天他在一个潮湿的铁案板上解剖一只青蛙，当他的解剖刀触及青蛙大腿上的神经时，这时已经挂掉的青蛙的大腿很不正常地抽搐了一下。伽伐尼以严谨的Geek精神又重复做了几次这个实验，还换用不同的金属接在一起，比如铜和铁或者铜和银的配搭，然后把金属的两端分别接在那只曾经出现过不正常抽搐的青蛙的肌肉与神经上，青蛙就会不停地发抖。但当伽伐尼换用松香、玻璃之类的介质连接青蛙的肌肉与神经就不会出现这样的现象，于是他认为这是一种生物电现象，并且在1791年发表了《关于电对肌肉运动的作用》的论文。

伽伐尼的实验似乎离电池有点远，但是这却引起了另一位意大利物理学家AlessandroVolta（亚历山德罗・伏打，1745～1827）的强烈兴趣，并且想出了更多更新鲜的玩法。他用舌头同时添着一枚金币和一枚银币，然后用导线将两枚硬币连接起来，在接通的瞬间，他发现舌头有发麻的感觉。在玩了一段时间之后，伏打也写了一篇论文总结玩的成果。伏打不同意伽伐尼生物电的观点，他认为挂掉的青蛙腿是不会放电的，是外部产生的电流刺激了青蛙腿使其发生痉挛。伏打认为金属不仅是导体，而且它们才是真正的电流激发者，伏打把这种由金属接触产生的电流称为“金属的”、“接触的”电流。在这以后，伏打玩得一发不可收拾，他发现当金属浸入某些液体时也能发生同样的电流效应。伏打用更多的银片和锌片（30对、40对、60对）接触，把它们浸入盐水或者碱水……这就是伏打在1800年3月20日宣布的举世闻名的发现――伏打电池。当然，这是最原始的电池，是用很多银锌组成的电池组。这是人类历史上第一个能产生持续而稳定电流的装置，为电流效应的应用作出了重大的贡献。后来伏打还试用了不同的电解液，最终用硫酸替代了盐水，这种电池的原理一直被应用到现在，比如现在汽车上的电瓶。

TIPS：

科学界用伏打的姓氏作为电势差（电压）的单位。“伏特”其实就是“伏打”，音译问题，看看就好。

TIPS：关于古代电池的传说

1936年，一群考古学家在伊拉克巴格达附近的一个村庄玩，他们发现了一些陶罐，这些陶罐的内壁附着着一层铜箔，在陶罐的中间固定着一根铁柱。这些科学家认为这可能是人类历史上最早的电池，距今大概2000年左右，他们还相信那时的人们用柠檬汁或者醋等酸性物质充当电解质。据说现代的复制品还成功地产生了电流。但这些陶罐也很可能是用来存放经卷的，而以上这一切都没有确切的证据，也许这将成为一个永远的迷而存在。

和世界一起进步

在伏打电池发明之前，人们只能用摩擦发电机旋转来发电，再将电存放在Leydenjars（莱顿瓶）中，获得的电量非常小，并且无法保证电力的稳定和持久，自然无法满足相关电气的研究。伏打电池的发明，使电的取得变得非常方便，犹如一道曙光照进电气文明，使电气相关研究风生水起。在此后漫长的200多年中，电池的发展很好很强大，自然也就衍生出了很多的新型电池种类，因为没人想背着伏打电池听Walkman，也没人想背着伏打电池打电话……

TIPS：

莱顿瓶是在18世纪时科学家们用来储存电量的一个电容器。其实，它就是一个玻璃瓶子，只不过在这个玻璃瓶的内外壁都涂有一层金属箔，并且在瓶子的中间插有一根电极。在当时，科学家们把几个玻璃罐排在一起，然后用金属挂钩连接每个瓶子的电极以获得更强大的电流输出。

1800

伏打电池的改进：

虽然伏打很牛X，但是伏打的原始电池模型还是有一定技术缺陷的，一个重要的问题就是太多的金属块压在浸入电解液的帆布上，电解液就被压出来造成短路。其实问题很简单，金属块竖着放会将帆布里的电解液压出来，那并排着倒着放就不会出现这样的问题了，一个叫WilliamCruickshank的英国人就想到了这点，制作了一个被称作trough battery的盒子来替代原来的玻璃瓶。

1844

The Grove celll

William Robert Grove（格罗夫）在1844年制造出了更优秀的电池。Grove cell用浸在硫酸溶液中的锌作为电池的阳极，用泡在硝酸溶液中的铂作为电池的阴极，并且用了一个多孔的玻璃管来将他们分开。这让Grovecell有着近2倍于Daniell Cell的电压，并且在一段时间内获得了美国电报网络的亲耐。但当Grove cell释放出有毒的二氧化氮时，它的电压也会急剧下降。毫无疑问，人们需要更好的电池。

1836

The Daniell cell

伏打电池的使用寿命是很短的，而且在使用过程中会因为电解液与锌的反应产生大量的氢气气泡。1836年的时候，一个名叫JohnFrederic Daniell（丹尼尔）的英国化学家想到了在硫酸中混合硫酸铜来抵消氢气的产生。丹尼尔用一个铜制容器盛装硫酸铜溶液，再将一个装满硫酸溶液满身是孔（允许离子通过）的玻璃罐浸在里面。有了这个过滤罐，在电流产生之前，铜离子也不会漂移到锌阳极而减弱电流。这就是传说中的Daniell cell。

1859

铅酸电池：

最早的可充电电池

当时存在的电池在其所有化学反应完成时将被永久地遗弃。在1859年，法国人Gaston Planté（普兰特）发明了铅酸蓄电池，这也是最早的二次电池，这种电池一直被应用到现在。不过，最早的开口式铅酸蓄电池需经常加硫酸和水维护，这样很容易腐蚀电池周边的设备，对环境也有不小的污染。1996年以后生产的铅酸蓄电池大多由开口式升级成了阀控式，也就是我们常说的免维护蓄电池。

1866

The Leclanché cell

Georges Leclanché（勒克谢），又是一个法国人，他用锌汞合金作为电池的阳极，把二氧化锰和碳的混合物作为电池的阴极，并在这些混合物中插入一根碳棒作为电流收集器。在二氧化锰中混合了适当比例的碳以及 碳棒的加入，改善了电解质的导电性和反应的充分性，从而可以提供长时间的电流。这就是传说中的锰锌电池。

1887

碳锌电池：

最早的干电池

一个英国人Carl Gassner在氯化铵中加入了石膏，这样电解液就成了黏糊状的膏体，然后在里面混点氯化锌（用以延长电池的使用时间），加点二氧化锰，插一根碳棒，最后把他们统统密封在一个锌制的壳子里（同时锌壳也作为电池的阳极），最早的干电池就这样诞生了。干电池的电解液不会泄漏，比那种用瓶瓶罐罐装电解液的电池好携带多了，因此引得粉丝一地。

TIPS：

同在1887年，Frederik Louis Wilhelm Hellesen（赫勒森）也发明出了干电池，他一直自称自己的发明早于Carl Gassner。这个问题就留给他们自己到上帝面前再去争吧。

1875

西门子硒光电池

1875年，德国技师Werner Von Siemens（西门子）制成了第一个硒光电池，虽然西门子当时是提议将它用来进行光量测定的，但这却揭开了太阳能电池的序章。西门子能发明硒光电池，他要好好感谢一下一个叫史密斯的英国人（虽然英国叫这名字的人挺多），正是史密斯在1873年发现的“内光电效应”给西门子的硒光电池提供了理论依据。“内光电效应”就是……这是高中物理的知识，自己去翻课本，《Geek》不负责补习高中物理知识。

1889

1889-燃料电池

早在1839年，William Robert Grove发明格罗夫电池之前，他就通过将水的电解过程逆转而发现了燃料电池的原理。但由于在自然界不能随意地得到氢气，人们就一直想用煤气作为燃料，但天不遂人愿，这项伟大的工程一直没有实现。到了1866年，Werner VonSiemens又发现了机电效应，这项发现又推动了发电机的发展。可惜那个时候还没有能源危机的说法，燃料电池技术还显不出重要性来。Mond（蒙德）和Langer（莱格）在1889年首先提出了燃料电池这个概念，不过内燃机在当时风头正劲，自然也没有人理他们。直到1959年，培根成功研制出了氢氧燃料电池，才引起了人们强烈的兴趣。之后，山姆大叔开始玩航空，他们把培根的燃料电池进行改进，并将其成功的用在了1965年的双子星座飞船和1966年的阿波罗飞船上。从那时起，人们才见识到燃料电池的无穷威力。

燃料电池主要由燃料电极（正极）、空气/氧气电极（负极）和电解液三个部分组成一个电化学系统。燃料电池工作时从正极处的氢气中抽取电荷（氢被电氧化或称“被燃烧掉”），这些负电荷流到正极，而余下的正电荷（氢离子）通过电解液被送到负极与氧气发生反应并从负极吸收电荷。过程似乎有一点复杂，但你只要知道这一反应的产品是电流、热量和水就行了，这就是人们想得到的东西。由于燃料电池是冷燃烧，不会燃烧出火焰，二氧化硫、一氧化碳和氮氧化物的排放量都非常低；燃料电池中也没有运动的部件，比如轰隆作响的发电机，所以燃料电池工作时很安静而且没有机械磨损；燃料的化学能直接转化为电能，比其他形式的电效率都高。

1899

镍镉电池：

最早的碱性电池

瑞典科学家Waldmar Jungner（容纳）发明了容纳电池，这也是最早的镉镍电池。容纳用镍和镉作为电池的电极，用氢氧化钾作为电解液，这种电池具有循环寿命长、自放电较小、性能稳定，并可以通过大电流放电等一系列优点。但它当时的价格比铅酸电池贵多了，而且存在记忆效应，所以也才有了后来替代它的镍氢电池。

1955

普通碱性电池

在上20世纪50年代，碳锌电池还是非常流行的，但是它的使用寿命太短了，影响了它的销售。1955年，一个在Eveready（现在被称为Energizer，也就是劲量）上班的工程师Lewis Urry被公司委以为碳锌电池扩展销路的重任，但Urry觉得碱性电池应该有更大的市场。不过当时使用寿命长的碱性电池都很贵，Urry想出了在碱性溶液中加入二氧化锰和锌粉末的替代方案，这种普通的碱性电池在1959年被成功地投放市场。

1971

镍氢电池

美国人Stanford R. Ovshinsky研制出了金属氢化物镍电池，它具有能量密度高、快速充放电、无毒、无污染及无记忆效应的特点。因为在通常情况下镉是有毒的，而镍氢对环境的破坏很小。

1903

镍铁电池

容纳也发明了镍铁电池，但镍铁电池在充电的时候会产生不少氢气，所以镍铁电池是不能被密封的。爱迪生采用容纳的部分设计制造出了爱迪生电池，并在1903年开始销售。爱迪生想用更轻巧、更耐用的镍铁电池替代早期汽车上的铅酸电池，不过最早的爱迪生电池却很容易泄漏而降低电池的寿命。

1970s~1990s

锂电池、锂离子电池

1983年，美国化学家John B. Goodenough率领一个团队在日本索尼公司开始研究锂离子电池。锂离子电池在90年代得到迅速发展和应用，被广泛应用于医疗、电子、通信、航空和军事等领域。

1996年，科学家们在锂离子电池的基础上研制出了聚合物锂离子电池。聚合物锂离子电池用固体聚合物复合材料代替了液体电解液，这让电池可以有一个灵活的包装，而不是一辈子都背着一个僵化的铁壳。这也意味着电池可以拥有各种形状，以适应各种不同的电子设备，比如手机、笔记本电脑。

现在与未来同行

我们平时生活中最容易看到的是AAA电池、锂离子电池及铅酸电池。比如你电脑桌上的无线鼠标、放在床头的手电筒都是使用的AAA电池；而你到哪里都背着的笔记本电脑、天天使用的手机里面就装锂离子电池；满大街跑的汽车、摩托车上使用的大个大个的铅酸蓄电池等。它们都是目前我们生活中的主流电池，虽然我们的生活离不开它们，但它们还存在很多不足。要知道1节1号电池烂在地里能使1平方米土地永久失去利用价值，1粒钮扣电池可使600吨水受到污染。从保护我们有且仅有一个的、美丽的地球出发，所以我们必须用更环保、更耐用的电池将它们取代。随着我们的笔记本越来越小、手机越来越薄，这要求新型的电池不仅容量要更大，还必须具有小型化、高功率、环保等特点。

电池爆炸这事儿我想你们也都听说了，而且不是一次两次了。我们从小到大耳濡目染，都知道 “安全第一”，定时炸弹般的电池肯定不能用，这对电池的结构、制造工艺都提出了新的要求。现在的人平时都很忙，都希望电池的容量够大、充放电够快、充放电次数够多，电池在大型化和快速充放电发展过程中的安全问题也就越突出，对安全控制和保障体系的要求也越高。如此高的要求当然会让我们的锂离子兄弟难以招架，还好有更好更强大的聚合物电解质锂离子电池和直接甲醇燃料电池站了出来。直接甲醇燃料电池是在质子交换膜燃料电池的基础上研究和发展起来的，直接以甲醇为燃料，环保又经济，非常适合作为手机、笔记本电脑的电池。

锌空气电池也是取代锂钴氧化物新材料中的前驱者。其中锌是作为负极的活性物质，氧气是作为正极的活性物质，因此无需传统电池中的铅、汞、镉、镍等化学元素。这就降低了成本，也解决了环保部门上门找麻烦的问题。不过，现在的锌空气电池在自由充电方面遇到了一点问题，套用《疯狂的石头》中的一句台词，“出了一点小意外，情况还在我控制之中”。广大电池生产厂商都在积极寻求解决方案，优秀的锌空气电池产品出现在我们身边只是时间问题。

石油越卖越贵，电动汽车的需求自然越来越多，这也直接带动了太阳能电池的快速发展，不过现在的太阳能电池大多使用单晶硅。通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350~450μm的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成，因此实际消耗的硅材料更多且转换效率不高。它当然会被滚滚的历史浪潮淹没，取而代之的将是转换效率更高、成本更低的多晶硅电池、多晶硅薄膜电池和非晶硅薄膜电池。