【導讀】或許我們正是一個時代的見證者，在這個時代里，能源又一次要更新換代，而為我們提供能源的未來大型電池，正是由最初那枚毫不起眼的小電池不斷升級而來的。電池在我們今天的生活中無處不在以至于幾乎被我們忽視。然而，它們卻是漫長而傳奇歷史中的一項卓越發明，擁有精彩而悠久的歷史，也將擁有同樣璀璨的未來。
自從公元前250年被發明以來，電池已經走過了一段漫長的旅程。Flickr/Patty, CC BY-NC-SA
電池，從本質上來說，就是一種能夠將儲存的化學能轉化為電能的設備。基本上，電池就是一個小型化學反應器，通過反應產生高能電子，用以注入外部設備之中。
電池出現的時間之早超出了我們的想象。1938年，巴格達博物館主任在該博物館的地下室中，找到了現在被稱為“巴格達電池”的原始電池。分析表明，這一原始電池可以追溯到公元前250年，屬于美索不達米亞文明時期的造物。
這枚最早的電池引發了很多的爭論。對于它的用途，人們眾說紛紜，可能的假說包括用于電鍍，止痛或者是人們通過與之接觸時的刺痛感，來產生宗教體驗。
美國發明家本杰明·富蘭克林在1749年首次使用了“Battery”這一詞語。當時他使用了一組串聯的電容器來進行電學實驗。
真正意義上的現代電池是由意大利物理學家Alessandro Volta于1800年發明的。他通過在一枚銅片和一枚鋅片中間夾上浸有鹽水的布片構筑成一個小單元，再將這些小單元堆疊起來，就得到了“伏打電堆”。
導線將電堆的兩端連接起來，就能夠產生穩定的電流。每一個小單元能夠產生0.76伏特（V）的開路電壓。通過將這些小單元串聯，我們能夠得到電壓相當于每一個小單元電壓的總和。
鉛蓄電池是目前已知最持久的電池之一，它發明于1859年，現在仍然用于大多數內燃機汽車的點火。它也是最早的可重復充電的電池。
汽車電池。Flickr/Asim Bharwani, CC BY-NC-ND
時至今日，電池的尺寸可大可小，大至兆瓦級別，用于儲存太陽能電廠或是變電站的電力，以保證某一區域穩定的能源供應；小至紐扣大小，為你佩戴的電子手表提供動力。
不同的電池基于不同的化學反應，這也使得每一個不同的小單元有著不同的開路電壓，通常在1.0至3.6V之間。通過串聯這些小單元，我們能夠增加電壓；而并聯這些小單元則能夠增強電流。這一規律被我們用來增加電壓和電流，以提供我們所需要的電流和電壓，即便是兆瓦級別的電池，它的電壓和電流也是通過這個最基本規律得到的。
現在人們預測，電池技術將再次迎來一次飛躍。新的電池模型將能夠從家用太陽能和風能裝置中獲取足夠的能量，并有足夠的容量將其儲存，在合適的時間（通常是夜晚）為一整個家庭提供未來數天所需的電力。
電池是如何工作的
當化學反應開始時，額外的電子被釋放出來，電池即開始放電。額外電子釋放的一個例子是在鐵氧化生銹的過程中，鐵與氧氣發生反應，將電子釋放給氧氣，形成鐵的氧化物。
標準的電池構造是將兩塊化學勢不同的金屬或是化合物用一層多孔絕緣體隔開。化學勢即是儲存于原子與化學鍵之間的能量，當電子能夠自由地在連接的外部設備中移動的時候，這些能量能夠傳遞給那些運動的電子。
鹽水這樣的導電液體常常被用來傳輸可溶解的離子，在反應過程中，這些離子在溶液中可以從一種金屬的表面轉移到另一種金屬的表面，我們通常稱這樣的導電液體為電解質。
在放電過程中，失去電子的金屬或化合物被稱為陽極，得到電子的金屬或化合物被稱為陰極。在外電路中，電子流從陽極流向陰極，這就是我們用以驅動電力設備的“電流”。
一次電池vs充電電池
產生電流之后，有些電池的狀態無法逆轉，我們將這種電池稱為一次電池。當反應物之一消耗殆盡，這種電池便無法再使用了。
最常見的一次電池是碳鋅電池。若電解質為堿性，這種電池能更加持久耐用。這也就是我們通常在超市購買到的堿性電池。
我們在日常生活中常用的堿性電池。Flickr/Simon Greig, CC BY-NC-SA
處理一次電池的難度在于，我們不能通過再次充電來回收利用這些電池。在電池大型化的的今天，回收利用變得愈發重要，并且頻繁地更換電池也不具備商業上的可行性。
世界上最早的充電電池之一，鎳鎘電池，同樣使用的是堿性電解質。在1989年，鎳氫電池（NiMH）發明，這種電池擁有比鎳-鎘電池更長的壽命。
這一類電池對于充電過量過熱十分敏感，因此充電功率應當控制在一個最大功率之下。不過設計精巧的控制器能夠使充電速度加快，我們也就不需要為了充電苦等幾個小時了。
充電電池能夠多次使用。Flickr/Brian J Matis, CC BY-NC-SA
現在的應用——像是手機和筆記本電腦——一直追尋的目標就是在盡可能小的空間里儲存盡可能多的能量。隨著單位體積內能量的提高，突然放電的危險性也在上升，但是我們也能夠找到一些應對之法。比如對于手機電池，因為它比較小巧，所以我們可以通過在電池中加入限流器來提高它的安全性。
不過隨著越來越多的大型電池投入應用，人們會愈發關注這些體積巨大、單元眾多的大型電池的安全問題。
第一次飛躍：鋰離子電池
時至今日，絕大多數的新技術都要求電池具有更加緊湊的設計、更加充沛的電力、更好的安全性，還需要電池能夠充電再利用。
1980年，美國物理學教授John Goodenough發明了一種新型的鋰電池。在這種鋰電池中，鋰能夠在電池中以鋰離子的形式，穿梭于兩個電極之間。
鋰是周期表中最輕的元素之一，同時擁有著極強的電化學勢，這兩點優勢使得它能夠以最小的體積提供最高的電壓。
而這一點正是鋰離子電池的基礎。在這種新電池中，鋰和過渡金屬（比如鈷，鎳，錳以及鐵）與氧的化合物作為陰極。在外加電壓之后，再次充電開始，帶正電的鋰離子從陰極遷移到石墨材料制成的陽極，重新變為金屬鋰。
因為金屬鋰有著極強的電化學推動力，所以金屬鋰極容易被氧化，它會遷移至陰極并再次成為鋰離子，將外層電子交給過渡金屬離子（比如鈷離子）。在這一循環中的電子移動為我們提供了我們所需的電流。
第二次飛躍：納米技術
由于過渡金屬的加入，鋰離子每一個小單元都能夠提供更高的能量，但是反應活性的提高也會帶來負面效果，電池會更容易受到一種被稱為“熱散逸”現象的影響。
在90年代，索尼生產了一種氧化鋰鈷電池（譯者注：這也是第一款商用鋰離子電池），但是嚴重的“熱逸散”導致了很多這一型號的電池著火。如果這一問題無法得到解決，那么為了獲得更好的反應活性，使用納米材料制作電池陰極的設想也就無從談起了。
這一次，站出來的依然是Goodenough。他引入了一種由鋰、鐵以及磷酸鹽構成的新的鋰離子電池陰極，這種穩定的電極是電池技術的又一大飛躍。
伴隨著新電池的不斷發展，很多新應用也應運而生。從電動工具到混合與電動力汽車，我們都能夠找到鋰離子電池的影子，或許其中最重要的應用，將是為住宅提供家用電能。
無線電動工具的出現要感謝充電電池的進步。Flickr/People s Network, CC BY-NC
電動汽車
在電動汽車領域，領頭羊是有名的Tesla公司。Tesla公司計劃修建“Giga-plants”（Giga是10的9次方的意思，就是1GB里面的G，來源于希臘語，巨大的），以生產適合用于電動汽車的大型電池。
Tesla Model S型汽車裝備的鋰電池電池組容量已經達到驚人的85千瓦時。
這樣的電池組容量，已經足夠一個普通家庭的需要了，也正因為如此，大家對于Tesla公司創始人Elon Musk發布的新產品有了如此之多的猜想。
電池設計的模塊化或許能夠創造一種新的、可交互的電池模式，這樣的電池既能夠在汽車中使用，也能夠在家居生活中使用，而無需重新設計和組建。
或許我們正是一個時代的見證者，在這個時代里，能源又一次要更新換代，而為我們提供能源的未來大型電池，正是由最初那枚毫不起眼的小電池不斷升級而來的。
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