一、电池的出现电池是生活中再常见不过的物品了。它进入人类世界已有200年的历史。 早在1800年，意大利科学家亚历山德罗·伏特(Alessandro Volta）就发明了“伏打电堆”。伏打电堆由很多个单元堆叠而成，每个单元都有一块铜板和一块锌板，中间由一块浸有盐水的布隔开。时至今日，生活中常见的碱性电池、铅酸电池、锂电池等电池，都与古老的伏打电堆共享着同样的工作原理：通过氧化还原反应将自己储存的化学能转化为电能。 这一看似神奇的过程其实并不复杂。一块电池主要由正极、负极和电解液三部分组成。当电池与外电路联通时，负极一端就开始发生氧化反应，释放出电子；正极一端则发生还原反应，正好需要补充电子。由于电解液将两极隔开，只允许离子流动，不允许电子流动，于是电子通过外电路从负极流向正极，形成电流做功，化学能也藉此转化成了电能。 二、充电电池但如果用一次性电池为随身听供电，那么一张专辑刚刷几遍，电池就该扔了。一次性电池的电化学反应是不可逆的，也就是说，化学能转化为电能的旅程只能一条路走到黑，电量用尽，电池也没用了。能不能来一种可以重复使用的电池？ 这种“得寸进尺”的需求最终促成了世界上最早的可充电电池——铅酸电池的诞生。它由法国物理学家加斯顿·普兰特(Gaston Planté)于1859年发明。可充电电池采用的是可逆的电化学反应，只要施加外电压，改变电子流动的方向（从正极流向负极），电池两极就会发生与放电时方向相反的化学反应，仿佛“返老还童”，最终重新充满电力。 这项发明影响之深远令人不服不行——时至今日，人们在启动汽车引擎时使用的蓄电池依然是铅酸电池。铅酸电池的负极与正极分别采用海绵铅及二氧化铅，电解液使用稀硫酸。它可以提供很大的电流，价钱也不贵，但就是体积太大了些。 铅酸电池做不到面面俱到？没关系，后面还有一堆科学家跃跃欲试呢。此后，研究者们又不断探索，发明出采用其他化学反应的充电电池，如镍镉电池、镍氢电池和锂电池。它们能量密度更大，体积更小，可以用于为各类小型电子设备提供电能。 三、锂离子电池电池工作时，电子通过外电路从负极流向正极。与此同时，相同电荷量的正离子则在电池内部从负极向正极流动。早期的电池都使用诸如稀硫酸这样的以水为溶剂的电解液。在这种情况下，电池内肩负维持电荷平衡任务的是氢离子。然而，使用水系电解液的电池，最多能达到的工作电压也不过2伏左右。如果想要获得更高的电压，输出更大功率，就要使用不含水的电解液，找到替代氢离子的正离子。 查看元素周期表，最佳的候选者落在了锂离子身上：作为3号元素，锂的原子量只有6.9；它既轻又小，比其他大的离子更容易在电解液中移动，可谓不二之选。确定了锂离子，接下来的任务，就是找到可以与之发生可逆反应的电极材料了。到20世纪70年代，美国化学家斯坦利·惠廷厄姆(M. Stanley Whittingham)在埃克森(Exxon)工作时率先发明了锂离子电池。经过多年优化，商业化的可充电锂离子电池在20世纪90年代初在日本推出。 锂离子电池的负极使用石墨，正极使用钴酸锂，电解液则使用含有锂盐（如六氟磷酸锂）的有机溶剂。放电时，嵌入在石墨负极中的锂被氧化进入电解液，跑到正极嵌入到氧化钴的晶格间隙中形成钴酸锂；充电时，锂则从钴酸锂中脱嵌，溜回石墨中，如此循环往复。这样的电池，工作电压可达到3.7伏以上，能量密度大大提高。 但所谓金无足赤，尽管锂离子电池大获成功，也免不了还有缺点——比如价格较高，容量流失，以及最严重的安全性不高的问题。锂离子电池电解液使用的有机溶剂十分易燃，虽然我们可以通过加入添加剂和改进电池设计来提高电池的稳定性，却终究不是长久之计。 四、未来电池原理上，只要用另一种X离子来替代锂离子，并找到与之匹配的电极和电解液，就可以得到“X离子电池”。在众多“X”的候选者中，铝算是优势比较明显的：它的价格比锂更低，化学性质也更稳定，而且在反应时，每个铝原子可以释放3个电子，似乎是个不错的选择。 然而，研发铝离子电池的道路并不顺利。最大的困难在于找到合适的正极材料和电解液。在以往的研究中，正极材料往往会在充放电过程中发生不可逆的结构破坏，能有效参与反应的部分因而越来越少。最终，电池容量迅速下降，使用寿命只有几十个循环——这显然不能满足人们的需求。 但不管怎样，铝离子电池在使用寿命、功率密度和安全性方面的性能依然优越，如果未来可以降低生产成本，它们将会十分适合用于在对能量密度要求不高的地方发挥作用。比如在电网储能系统中，它们能为太阳能和风能等可再生能源储能，还能作为家用大型电池，为电动车充电，或是在停电时为电器供电。 一旦科学家能够研发出比泡沫石墨更好的正极材料，进一步提高铝离子电池的工作电压，它的用途将更加广泛。随身听走了，MP3也快走了，科技产品一代又一代地从我们的生活中出现又淘汰，电池和研究电池的人却一直还在。之后还会有怎样的电池惊艳我们的生活？给装备充好电，拭目以待吧。 |
|
|
