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電池200年發(fā)展簡史:發(fā)明靈感源自青

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:1687次  |  2019年08月18日  

電池200年發(fā)展簡史:發(fā)明靈感源自青蛙腿


“環(huán)?!币呀?jīng)成為了現(xiàn)在最流行的詞匯。環(huán)保的核心是“新能源”,而新能源的核心則是電池。近日,“2009電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇”在北京舉行,純電動(dòng)汽車的電池技術(shù)成為會(huì)議焦點(diǎn)問題。事實(shí)上,純電動(dòng)車所采用的電池,是所有電池種類中電容量最大,同時(shí)也是技術(shù)難度最高的一種蓄電池。它的祖先在200多年前就已經(jīng)出現(xiàn)了。在200多年的發(fā)展歷程中,它們一直在“努力”。


1誕生青蛙腿帶來靈感

電池的誕生,基于人們對(duì)于獲取持續(xù)而穩(wěn)定的電流的需要。不過,電池的發(fā)明,是來源于一次青蛙的解剖實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的靈感,多少有些偶然。


1780年的一天,意大利解剖學(xué)家伽伐尼(LuigiGalvani)在做青蛙解剖時(shí),兩手分別拿著不同的金屬器械,無意中同時(shí)碰在青蛙的大腿上,青蛙腿部的肌肉立刻抽搐了一下,仿佛受到電流的刺激,而如果只用一種金屬器械去觸動(dòng)青蛙,就無此種反應(yīng)。伽伐尼認(rèn)為,出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)閯?dòng)物軀體內(nèi)部產(chǎn)生的一種電,他稱之為“生物電”。

伽伐尼的發(fā)現(xiàn)引起了物理學(xué)家們的極大興趣,他們競相重復(fù)伽伐尼的實(shí)驗(yàn),企圖找到一種產(chǎn)生電流的方法。而意大利物理學(xué)家伏特(AlessandroVolta)在多次實(shí)驗(yàn)后則認(rèn)為:伽伐尼的“生物電”之說并不正確,青蛙的肌肉之所以能產(chǎn)生電流,大概是肌肉中某種液體在起作用。

為了論證自己的觀點(diǎn),伏特把兩種不同的金屬片浸在各種溶液中進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),這兩種金屬片中,只要有一種與溶液發(fā)生了化學(xué)反應(yīng),金屬片之間就能夠產(chǎn)生電流。

1799年,伏特把一塊鋅板和一塊銀板浸在鹽水里,發(fā)現(xiàn)連接兩塊金屬的導(dǎo)線中有電流通過。于是,他就把許多鋅片與銀片之間墊上浸透鹽水的絨布或紙片,平疊起來。用手觸摸兩端時(shí),會(huì)感到強(qiáng)烈的電流刺激。伏特用這種方法成功制成了世界上第一個(gè)電池“伏特電堆”。這個(gè)“伏特電堆”實(shí)際上就是串聯(lián)的電池組。

實(shí)際上,只要有兩種金屬浸泡在某種溶液中,就有可能產(chǎn)生電池作用。曾經(jīng)接受過金屬補(bǔ)牙手術(shù)的朋友們都會(huì)發(fā)現(xiàn),用舌頭舔補(bǔ)牙的金屬,會(huì)感到“麻麻”的感覺,就是因?yàn)檠a(bǔ)牙用的多種金屬產(chǎn)生了電池作用。

1836年,英國的丹尼爾對(duì)“伏特電堆”進(jìn)行了改良,又陸續(xù)有效果更好的“本生電池”和“格羅夫電池”等問世。然而在當(dāng)時(shí),無論哪種電池都需在兩個(gè)金屬板之間灌裝液體,搬運(yùn)很不方便,特別是蓄電池所用液體是硫酸,在挪動(dòng)時(shí)很危險(xiǎn)。

2演講從“便攜”到重復(fù)使用

干電池的鼻祖在19世紀(jì)中期誕生。1860年,法國的雷克蘭士(GeorgeLeclanche)發(fā)明了碳鋅電池,這種電池更容易制造,且最初潮濕水性的電解液逐漸用黏濁狀類似糨糊的方式取代,于是裝在容器內(nèi)時(shí),“干”性的電池出現(xiàn)了。

1887年,英國人赫勒森(WilhelmHellesen)發(fā)明了最早的干電池。相對(duì)于液體電池而言,干電池的電解液為糊狀,不會(huì)溢漏,便于攜帶,因此獲得了廣泛應(yīng)用。

如今,干電池已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)龐大的家族,種類達(dá)100多種。常見的有普通鋅-錳干電池、堿性鋅-錳干電池、鎂-錳干電池等,不過,最早發(fā)明的碳鋅電池依然是現(xiàn)代干電池中產(chǎn)量最大的電池。在干電池技術(shù)的不斷發(fā)展過程中,新的問題又出現(xiàn)了。人們發(fā)現(xiàn),干電池盡管使用方便,價(jià)格低廉,但用完即廢,無法重新利用。另外,由于以金屬為原料容易造成原材料浪費(fèi),廢棄電池還會(huì)造成環(huán)境污染。于是,能夠經(jīng)過多次充電放電循環(huán),反復(fù)使用的蓄電池成為新的方向。

事實(shí)上,蓄電池的最早發(fā)明同樣可以追溯到1860年。當(dāng)年,法國人普朗泰(Gastonplante)發(fā)明出用鉛做電極的電池。這種電池的獨(dú)特之處是當(dāng)電池使用一段時(shí)間電壓下降時(shí),可以給它通以反向電流,使電池電壓回升。因?yàn)檫@種電池能充電,并可反復(fù)使用,所以稱它為“蓄電池”。

1890年,愛迪生發(fā)明可充電的鐵鎳電池,1910年可充電的鐵鎳電池商業(yè)化生產(chǎn)。如今,充電電池的種類越來越豐富,形式也越來越多樣,從最早的鉛蓄電池,鉛晶蓄電池,到鐵鎳蓄電池以及銀鋅蓄電池,發(fā)展到鉛酸蓄電池、太陽能電池以及鋰電池等等。與此同時(shí),蓄電池的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣,電容越來越大,性能越來越穩(wěn)定,充電越來越便捷。

3現(xiàn)狀新勢力風(fēng)起云涌

下面,純電力汽車終于登場啦!在這個(gè)領(lǐng)域,鋰離子電池和燃料電池成為最令人矚目的明星。

從上面的故事可以看出,整個(gè)電池的發(fā)展史也可以說是一個(gè)“試試各種金屬能不能造電池”的歷史?,F(xiàn)在電池界最紅的金屬是“鋰”。鋰是所有金屬里最輕的,比水還輕,而且特別活潑,需要保存在石蠟里。實(shí)際上,當(dāng)初愛迪生就曾經(jīng)發(fā)明過鋰電池,但是由于鋰金屬的化學(xué)特性非?;顫?,使得鋰金屬的加工、保存、使用,對(duì)環(huán)境要求非常高,所以鋰電池長期沒有得到應(yīng)用。現(xiàn)在,人們對(duì)電池“求賢若渴”,這些問題也就不是問題了。恰好鋰電池具有能量重量比高、電壓高、自放電小、可長時(shí)間存放等優(yōu)點(diǎn),所以它在近30年中取得了巨大發(fā)展。我們用的計(jì)算機(jī)、計(jì)算器、照相機(jī)、手表中的電池都是鋰電池。

鋰電池組裝完成后電池即有電壓,不需充電。這種電池也可以充電,但循環(huán)性能不好,在充放電循環(huán)過程中,容易形成鋰枝晶,造成電池內(nèi)部短路,所以一般情況下這種電池是禁止充電的。后來,索尼公司發(fā)明了以炭材料為負(fù)極,以含鋰的化合物做正極,在充放電過程中,沒有金屬鋰存在,只有鋰離子,這就是鋰離子電池。


鋰離子電池

鋰離子電池的優(yōu)勢十分明顯:工作電壓高、體積小、質(zhì)量輕、能量高、無記憶效應(yīng)、無污染、自放電小、循環(huán)壽命長,成為最適用于電動(dòng)汽車的電池之一。鋰離子電池通過鋰離子在正負(fù)極之間跑來跑去來充電和放電。這個(gè)領(lǐng)域最牛的技術(shù)是“層疊電池結(jié)構(gòu)”,也就是把好多個(gè)電池做成很薄的層然后疊在一起,這樣可以用很小的體積達(dá)到很高的效率,在這方面日產(chǎn)汽車公司走在行業(yè)的最前面。

為了提高使用便捷度,目前很多鋰電汽車都可以使用普通家庭電壓充電,但充電時(shí)間長達(dá)數(shù)小時(shí)。若要大規(guī)模推廣鋰電池汽車,建立相應(yīng)的快速充電站仍然必不可少。不過今年3月份,日本研究人員已研發(fā)出一種新型“鋰-空氣”電池,無需充電,只需更換正極的水性電解液,通過卡盒等方式更換負(fù)極的金屬鋰就可以連續(xù)使用。也就是說,充電的設(shè)施更像添加物體的“加油站”,而不是帶著大插銷的“充電站”。

除了電池以外,人們還想出了各種給電動(dòng)車蓄能的方式,比如曾經(jīng)有人想過用轉(zhuǎn)速奇快的飛輪來蓄能。但這個(gè)飛輪一旦破碎,就變成了炸彈,所以不靠譜?,F(xiàn)在主要研究方向還是用電池。除了鋰離子電池,還有一種電池很有前途,就是“燃料電池”,它是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進(jìn)燃料電池,電就被奇妙地生產(chǎn)出來。其中最實(shí)用的是使用氫或含富氫的氣體燃料的燃料電池。

電池已經(jīng)誕生了200多年,現(xiàn)在仍然在前進(jìn)。無論是過去還是現(xiàn)在,電池的目標(biāo)都沒有改變:隨時(shí)隨地讓人享受電能的巨大恩惠。(記者尹蔚)


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