两节干电池用了180多年，驱动电铃鼓动了100多亿次，如今还在继续

在我们的生活当中，电池是一种非常常见的生活用品。电器的发明给我们的生活带来了很多便利，我们在炎热的夏季可以用电风扇和冰箱降温，创造一个温度适宜的室内环境；吃不完的食物可以放进冰箱冷冻保鲜避免浪费；手机、电脑、平板等等电子产品带来的方便和快捷更是不言而喻，几乎已经成为了我们离不开的东西。

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Tips：计算机computer，俗称电脑，是现代一种用于高速计算的电子计算机器，可以进行数值计算，又可以进行逻辑计算，还具有存储记忆功能。

在最初，大部分电器都是需要电池才能正常运行的，就连手机也一样。而像遥控器上使用的电池是干电池，也是我们生活中使用得最多、最普遍的一种电池类型。在世界上，有两节干电池已经被使用了180多年，它提供的动力使电铃响了100多亿次，这是怎么做到的？

电池的历史

如今，电池无处不在，以至于我们在平时几乎不会想到这样一个小玩意儿。然而，它实际上是一项非凡的发明，有着悠久而传奇的历史，以及同样令人兴奋的未来。电池本质上是一种储存化学能并转化为电能的装置，电池是小型化学反应器，反应产生高能电子，流过外部设备，从而提供能量。

Tips：干电池是一种伏打电池，利用某种吸收剂（如木屑或明胶）使内含物成为不会外溢的糊状。常用作手电筒照明、收音机等的电源。

电池出现在人类的生活中已经很久了，1938年，巴格达博物馆馆长在博物馆的地下室发现了现在被称为“巴格达炮台”的东西。通过分析，人们将其出现的时间确定在公元前250年左右，起源于美索不达米亚。

美国科学家和发明家本杰明·富兰克林于1749年首次使用到了“电池”一词，当时他正在使用一组链接电容器进行电力实验。而历史上第一个真正的电池是由意大利物理学家亚历山德罗·沃尔特于1800年发明的。伏打将铜和锌制成的圆盘堆叠起来，并用浸泡在盐水中的布把它们隔开，这就组成了电池。连接到堆栈两端的电线产生连续稳定的电流，电压大约为产生 0.76伏。

Tips：巴格达电池发现于1936年6月，距今已有大约两千年历史，外表看起来是一只简陋的小陶罐，但以陶罐内装的所有物质及其制作意图来判断，这只陶罐却像是一个电池的外壳。

铅酸电池是最经久耐用的电池之一，发明于1859年，至今仍是用于启动大多数内燃机汽车使用的电池，它是最古老的可充电电池的例子。今天，电池的尺寸范围很广，从存储太阳能发电场或变电站的电力以保证稳定供应的大兆瓦电池，到电子手表中使用的微型电池，都在为人类的生活提供巨大的便利。

基于不同的化学成分，电池可以产生的基本电压通常在1.0到3.6 V范围内。电池的串联堆叠增加了电压，而它们的并联连接增强了电流供应。该原理用于累加所需的电压和电流，一直到兆瓦级。现在人们正期待着电池技术即将采取新的模式的又一次飞跃，发展到有足够的容量来存储太阳能或风能系统产生的电能。

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Tips：太阳能solar energy，是一种可再生能源。是指太阳的热辐射能（参见热能传播的三种方式：辐射），主要表现就是常说的太阳光线。在现代一般用作发电或者为热水器提供能源。

当电池放电时，化学反应发生时会产生一些额外的电子。产生电子的反应的一个例子是铁氧化产生锈，铁与氧反应并将电子释放给氧以产生氧化铁。电池的标准结构是使用两种具有不同化学性质的金属或化合物，并用多孔绝缘体将它们隔开。化学势是储存在化合物的原子和键中的能量，当这些电子被允许通过连接的外部设备移动时，这些能量就会传递给移动的电子。

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Tips：电子Electron，是最早发现的基本粒子，带负电，电量为1.602176634×10-19库仑，是电量的最小单元，质量为9.10956×10-31kg，常用符号e表示。

诸如盐和水之类的导电流体用于在反应过程中将可溶性离子从一种金属转移到另一种金属，称为电解质。在放电过程中失去电子的金属或化合物称为阳极，接受电子的金属或化合物称为阴极。这种从阳极通过外部连接到阴极的电子流，就是我们用来运行电子设备的方式。

当产生电子流的反应不能逆转时，电池被称为原电池。当其中一种反应物耗尽时，电池电量耗尽。最常见的一次电池是锌碳电池。研究发现，当电解质为碱时，电池的使用寿命要长得多，比如我们从超市买的碱性电池就是这样的。

Tips：电解质是溶于水溶液中或在熔融状态下就能够导电的化合物。根据其电离程度可分为强电解质和弱电解质，几乎全部电离的是强电解质，只有少部分电离的是弱电解质。

想要解决原电池的这种弊端，我们就需要找到一种方法，通过给电池充电来重复使用它们。随着电池的容量和体积越来越大，这变得更加重要，因为从成本上来说，更换新电池变得非常昂贵和复杂。

最早的可充电电池之一是镍镉电池，也是使用碱作为电解质的。1989年，镍氢电池被开发出来，这种电池的寿命比镍镉电池更长。这些类型的电池在充电过程中对过度充电和过热非常敏感，因此充电速率被控制在最大速率以下。

Tips：镍氢电池是一种性能良好的蓄电池。镍氢电池分为高压镍氢电池和低压镍氢电池。镍氢电池正极活性物质为Ni（OH）2（称NiO电极），负极活性物质为金属氢化物，也称储氢合金。

像手机和笔记本电脑这些移动便携的电子产品一直都需要容量更大、更轻便的电池，虽然这会增加剧烈放电的风险，但由于整体尺寸较小，因此可以在手机电池中使用限流器进行管理。但是随着电池的更大应用的考虑，大尺寸和大量电池的安全性已成为更重要的考虑因素。

电池的发展

锂离子电池的出现标志着电池的第一次改进。新技术通常需要更紧凑、更高容量、安全、可充电的电池。1980年，美国物理学家约翰·古迪纳夫教授发明了一种新型锂电池，锂可以通过电池以锂离子的形式从一个电极迁移到另一个电极。锂是元素周期表中最轻的元素之一，它具有最大的电化学势之一，因此这种组合可以在最紧凑、最轻的体积中产生条件允许下最高的电压，这就是锂离子电池的工作原理。

Tips：2019年10月9日，约翰·古迪纳夫获得2019年诺贝尔化学奖，时年已满97岁的约翰·古迪纳夫也成为获奖时年龄最大的诺贝尔奖得主。

在这种新电池中，锂与过渡金属（如钴、镍、锰或铁）和氧结合形成阴极。在施加电压的充电过程中，带正电的锂离子从阴极迁移到石墨阳极并变成锂金属。因为锂有很强的电化学驱动力，如果条件满足的话，它会被氧化，迁移回阴极再次成为锂离子，并将电子放回钴离子所在的极，电路中电子的运动为我们提供了可以使用的电流。

纳米技术带来了电池的第二次改进。根据锂离子电池中使用的过渡金属，电池可能具有更高的容量，但可能更容易发生化学反应并且容易受到热失控现象的影响。以索尼在20世纪90年代制造的钴酸锂电池为例，许多此类电池都很容易着火。

Tips：纳米技术nanotechnology，是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用 。

但古迪纳夫推出了一种基于铁锂和磷酸盐的稳定锂离子阴极，再次在电池技术上取得了巨大飞跃。该阴极是热稳定的，这也意味着纳米级磷酸铁锂或磷酸铁锂材料现在可以安全地制成可快速充电和放电的大型电池。这些新电池现在存在许多新应用，比如电动工具和电动汽车，最重要的应用是为家庭储存家用电能。

能够使用180多年的干电池

在一所英国大学里，两个玻璃穹顶覆盖着一个装置，里面的铃声正不断响起着，它自1840年以来就一直在鸣响，而驱动它的仅仅是两节干电池，这就是著名的牛津电钟。直到现在，牛津电钟已经响了超过100亿次，它的电池从未更换过。

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Tips：电动汽车BEV，是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。由于对环境影响相对传统汽车较小，其前景被广泛看好。

前面提到，40年前，亚历山德罗·沃尔特发明了第一块电池，他将铜片和锌片叠在一起，然后用一块浸过盐水的布将每一对分开。尽管在创造便携式电源这一概念方面取得了重大突破，但这块电池的电量非常弱，持续时间不到一个小时，并且会泄漏出腐蚀性的液体。

Tips：亚历山德罗·沃尔塔是一位意大利科学家，因发明电池而闻名。他出生于1745年2月在意大利科莫的一个贵族家庭。

牛津电钟建于1840年左右，可能还要更早，由总部位于伦敦的沃特金斯和希尔公司建造。属于这家公司合作伙伴之一的弗朗西斯·沃特金斯是维多利亚时代寻求完善和改进沃尔特工作的众多发明家之一，他对正在彻底改变工业时代的电和磁的新发明产生了浓厚的兴趣，并提出了这项设计作为自己实验的一部分。

有很多迹象表明，沃特金斯认为他自己的努力只不过是一种爱好，他将自己的公司列为“眼镜商和哲学仪器制造商”。光学产品才是他们的主要业务，而其他东西似乎只是用来满足他兴趣爱好的随手之举。

Tips：电磁，物理概念之一，是物质所表现的电性和磁性的统称。如电磁感应、电磁波等等。电磁是丹麦科学家奥斯特发现的。

大约在1850年，牛津大学物理学教授罗伯特沃克从沃特金斯和希尔公司购买了使用电池供电的钟。他在一张小卡片上写下“Set up in 1840”用来记录这个装置的时间，并将其与设备放在一起。直到今天它仍然存在。罗伯特·沃克于1865年去世，但钟声依然照常响起，并且一直持续了下去，钟声响起的次数已经超过了100亿次，并且还在不断增加。现在，它拥有“最耐用电池”的吉尼斯世界纪录称号。

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Tips：铜钟早在原始社会，作为礼器的钟就出现了。当时的钟或以木制，或以竹制，或以陶制，是一种简单的打击乐器。

牛津钟实际上是两个铜钟，每个钟上面都有一个电池，在铃铛之间悬挂着一个直径四毫米的金属球形拍板。当拍板与铃铛接触时，上面的电池会释放出少量电荷，排斥它并将其推向对面的黄铜圆顶。拍板的实际运动很小，用肉眼看都很难看出来。尽管实现这一目标所需的电量很少，但它仍然令人印象深刻，因为没有其他电池能够如此长时间地为任何东西供电。我们都知道，电池即使在不使用时，也会缓慢放电，大多数会在几十年内完全耗尽，有些则会在几年内完全耗尽，而两节为牛津点钟供电的电池几乎不间断运行了近两个世纪。

Tips：电荷是许多次原子粒子所拥有的一种基本守恒性质。称带有电荷的粒子为“带电粒子”。电荷决定了带电粒子在电磁方面的物理行为。

不幸的是，弗朗西斯·沃特金斯没有留下任何文件来说明他的电池是如何构造的。与此同时，科学家们也不愿意在钟声停止响起之前触摸它。他们希望这个被称为“世界上运行时间最长的实验”在人们打开这些结构之前，能够通过其他方式得出一个结论。

Tips：电解液是一个意义广泛的名词，用于不同行业其代表的内容相差较大。有生物体内的电解液，也有应用于电池行业的电解液，以及电解电容器、超级电容器等行业的电解液。

唯一可以确定的事实是，牛津电钟使用的是硫磺外涂层材料，这种材料在19世纪初期非常流行，它能够阻止电解液泄漏或蒸发。除此之外的其他结论都只是猜测，一些人认为，每一个电池都是由数千片锡箔片组成的，这些锡箔片粘在涂有二氧化锰的隔板上，并且加上了足够的水作为电解质溶液。这些圆盘彼此堆叠在一起，形成柱状结构。硫磺涂层阻止了水的泄漏或蒸发，因此与沃尔特的原始设计不同，它被称为“干电池”。

Tips：硫磺，别名硫，为淡黄色脆性结晶或粉末，有特殊臭味，不溶于水，微溶于乙醇、乙醚，易溶于二硫化碳。作为易燃固体，硫磺主要用于制造染料、农药、火柴、火药、橡胶、人造丝等。

但这种猜测只是基于当时其他电池的制造方式，尤其是朱塞佩·赞博尼在1812年发明的一种流行的干电池。这是一个有根据的猜测，尽管在时间相差不多的时期，人们也在试验各种其他材料，但没有其他干电池能持续工作这么长时间，所以沃特金斯肯定对赞博尼的设计添加了一些改动，即使他当时可能并没有意识到这一点。

小结

现在，牛津电钟在牛津大学克拉伦登实验室的门厅向公众开放，并且已经成为一个旅游景点，所以如果真的想到这里来参观拍照，甚至可能会看到一条望不见尽头的长龙队伍。一直到现在，我们都还没能揭开牛津电钟的奥秘，看起来，我们只有等到电池耗尽或者隔板磨损之后，才能将它拆开进行更加深入的研究。