揭开新能源电池神秘的外衣

　　一根铁条插在铜制圆筒里来储存静电了，如图1。当然，相不相信这个传说是一件仁者见仁智者见智的事情。然而这个看似荒诞的发现却给电池家族披上了一层朦胧的神秘外衣，吸引着一代又一代的科学家们从此生命不止探索不止。

　　电池的发明与发展

　　亚里士多德知道磁石是一种具有强大磁力能吸引铁和金属的矿石。莱顿大学的马森布罗克在1746 年发明了收集电荷的"莱顿瓶"，如图2。他得出结论:把带电体放在玻璃瓶内可以把电保存下来。当时搞不清楚保存电的是瓶子还是瓶子里的水，后来人们就把这个蓄电的瓶子称作"莱顿瓶"，这个实验称为"莱顿瓶实验"。1780年，意大利解剖学家伽伐尼解剖青蛙时，发现青蛙腿部的肌肉有立刻抽搐现象，他称之为"生物电"。而意大利物理学家伏特认为青蛙的肌肉之所以能产生电流，大概是肌肉中某种液体在起作用。伏特将一片锌和一片银(例如硬币)放在一起，然后用舌头轻轻舔了舔。与两种金属接触的瞬间，他感觉舌尖微微有些刺痛。为了获得更强的效果，伏特想出了个聪明的主意：他制造了许多个这样的“金属三明治”，然后把它们叠到了一起。

　　金属三明治

　　不过，锌—银—锌—银的组合无法达到理想的效果，因为每组金属产生的电很快就会被下一组反向叠放的金属抵消，所以伏特需要用能够导电的非金属介质把这些金属片两两隔开，换句话说，他需要的是某种非金属导体。伏特选择了泡过盐水的纸板。所以，“三明治”的结构变成了锌—银—纸板—锌—银—纸板—锌，如此排列下去。他称之为“伏特堆”，又叫“电池”。于是，伏特成功制成了世界上第一个电池--"伏特电堆"串联电池组，并成为电报机的电力来源。

　　1836年，英国的丹尼尔对"伏特电堆"进行了改良，制造出第一个不发生极化且能保持平衡电流的锌/铜电池，又称"丹尼尔电池"，如图3。1860年，法国的普朗泰发明出用铅做电极的蓄电池。1868年，法国的雷克兰士发明了世界广受使用的电池(碳锌电池)的前身，如图4。1887年，英国人赫勒森发明了最早的干电池。干电池的电解液为糊状不会溢漏，便于携带，因此获得了广泛应用。

　　▲(左) 有数千年历史的用于存储静电的粘土瓶(于1932年在伊拉克的巴格达附近被发现);(右)蓄电的瓶子--"莱顿瓶"。

　　▲(左)丹尼尔电池;(中)雷克兰士发明的铅酸电池;(右)赫勒森发明的最早的干电池。

　　随后，1890年Thomas Edison 发明可充电的铁镍电池;1899年Waldmar Jungner 发明镉镍电池;1910年可充电的铁镍电池商业化生产;1914年Thomas Edison 发明碱性电池;1947年Neumann 开发出密封镉镍电池;1976年，Philips Research的科学家发明镍氢电池。通过科学家们不懈探索，我国于2000年实现锂离子电池商业化生产。

　　举足轻重的二次电池

　　我们通常用的1号、5号、7号电池其实就是干电池--碳锌电池，用于手电筒、电视遥控器等装置，成本低、小巧而易于携带但不能充电，通俗地说就是一次电池。

　　随着一次电池的发展，逐渐又衍生出了二次电池，二次电池还被称为"新能源电池"，它不仅可以储存电能，而且还可以反复充电反复使用直至"寿终正寝"。

　　二次电池可以说是电池这个庞大家族中举足轻重的一员，它衍生出了许多"子子孙孙"，可谓"数世同堂"。无论天上飞的、陆上跑的、水里游的，大到飞机、轮船，小到手机、笔记本电脑，随时随地都可看到它默默工作无怨无悔的身影。二次电池的应用主要分为两类:一是作为能量贮存装置，主电源器对其进行充电，当主电源器失效或无法满足能耗时，则由二次电池按要求供电;二是像原电池一样放电，使用后在设备中或独立进行充电。

　　二次电池主要用于纯电动汽车(EV)、混合动力电动汽车(HEV)、插电式混合动力电动汽车(PHEV)。其中HEV 由汽油发动机作为动力来源，更强调加速性能和爬坡能力，因此就更注重电池的比功率;PHEV和EV则完全以电池作为动力，更强调充电后的续驶能力，因而更关注电池的比能量。

　　目前，国内外很多新能源汽车，例如日产Leaf、丰田普锐斯plug-in、特斯拉Model-S、通用Volt、福特Focus EV以及宝马i3都采用锂离子电池作为动力源。锂离子电池具有价格低、能量密度高、循环寿命长、安全性能高、自放电率低、可循环使用等多种优点，因此在通讯等便携式电子产品中占有主导地位。

　　那么锂离子电池是怎样实现能量循环利用呢?原来啊，锂离子电池由正极、负极、隔膜和电解液构成，其正、负极材料均能够嵌脱锂离子。锂离子电池实际上是一个Li+浓差电池。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌。它采用一种类似摇椅式的工作原理，充放电过程中Li+在正负极间来回穿梭，从一边"摇"到另一边，往复循环从而实现电池的充放电过程。

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