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小电池和它的大影响 | 陈立桅——科学讲坛

中国物理学会期刊网 2021-04-27

The following article is from 墨子沙龙 Author 陈立桅

陈立桅 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所

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今天与大家聊一下电池。

在生活中，电池无处不在。常见的例子是手机和电脑，现在每个人都离不开智能手机，但经常会对智能手机电池的续航能力发出抱怨。除了手机和电脑，很多常用的电动工具，年轻人和孩子们的玩具或者机器人，乃至重要的电动汽车，核心都需要用到电池。

除了这些大家耳熟能详的物品，其实方方面面都需要用电池。比如，有一些病人如果在心脏里面安装心脏起搏器，心脏起搏器的电池寿命就和病人的生活质量很有关系，因为电池用完了，就需要再动一次手术专门来替换电池。还有可再生能源，如果想用风能、太阳能或者其他可再生能源，就需要电网有很好的储能能力。还有太空卫星，这些都需要电池技术。

○ 电池无处不在

电池的发明

电池技术这么重要，它是怎么发明出来的呢？

第一个跟电池有关的科学发现很早。1786年，在意大利博洛尼亚大学有一个解剖学家叫伽伐尼，他在做青蛙解剖实验的时候发现,金属的解剖刀触碰到青蛙肌肉的时候，青蛙会跳，它的腿会有痉挛的现象。这个发现让人非常惊讶，他认为这里有生物电。在公元十八世纪时，人们对电的认识主要来自摩擦起电和自然界的雷电，所以之前跟电有关的现象，皮毛摩擦、莱顿瓶等都是静电。在青蛙腿上发现跟摩擦生电一样的现象，在当时的确是令人惊奇的。这个发现在1791年发表以后，引起很大的重视。

比如，它引起了意大利另外一位大学教授伏打的注意。伏打重复并且检验伽伐尼的实验，在重复很多次之后，他想：青蛙腿痉挛的现象，会不会跟生物没有关系？蛙腿或许只是一个导体？为了证明这个观点，他把跟生物有关的因素都除去，用两种不同的金属来产生电流。的确，最终他用像活泼的锌和不活泼的银或铜这样不同的金属，浸在有盐水的纸板里，产生了持续的电流。这就是人类历史上第一个电池——伏打电堆。

○ 伏打亲手制作的“伏打电堆”，现藏于意大利伏打博物馆，图片来源：维基百科

1800年伏打的这个研究使人们对电的认识从静电进入到动电。当时征服了意大利的拿破仑认识到这个研究工作很重要，授予了伏打爵士身份。直至现在我们物理学中电压的单位“伏特”也是以他的名字命名。当然，这个工作的重要性不仅仅在于得了奖，它为电磁学的出现和发展奠定了基础。法拉第的电磁感应实验是在1831年做的，也就是30年以后，如果当初没有伏打电堆，法拉第就没有办法做电磁感应实验，人类就没有办法建立电磁学知识体系。

那么伽伐尼是不是错了？实际上伽伐尼相当坚持自己的看法，他认为自己的实验是没有问题的，并且做了很长时间实验来验证。伏打说电流来自两种不同的金属，伽伐尼干脆去做一个实验，不用任何金属，他用青蛙的神经去碰青蛙腿的肌肉，发现青蛙腿还是会痉挛，这说明即使没有金属，没有外界的伏打电堆，生物也会对电信号有反应，还是存在生物电。

所以伽伐尼也是对的。这个现象在经过多年深入研究后，最终产生了现代的电生理学。我们到医院去做心电图、脑电图，都跟电生理学有关，无论美国还是中国，都在研究神经科学、脑科学，这些信号传输都是基于人体里离子产生的电流。可以想象，在十八世纪到十九世纪转折的阶段，伽伐尼和伏打的学术争论，对于人类知识体系的构建非常有意义，有很大的贡献。

根据伏打的结论，只要有两种不同的金属，有传导离子的媒介，很多东西都可以做电池，浸了盐水的纸也可以用来做电池。水果也可以做电池：水果电池。如下图。

○ 水果电池

电池的发展

十九世纪以来，很重要的一件事是铅酸电池的发展，铅酸电池是1859年发明的，电动自行车等很多场景用的就是铅酸电池。1990年商业化的锂离子电池也是一个重要的里程碑。现在已经有一个庞大的电池家族，除了刚才展示的化学电池，还有太阳能电池、温差电池、核电池、燃料电池、生物电池，其中像太阳能电池、温差电池属于能量转换装置，刚才讲的化学电池如果是可充电电池，都是储存式电池。

电池是怎么工作的？我们通过锂离子电池了解一下。普遍的摇椅式的锂离子电池，它的工作原理可以通过两个动画视频做一些粗浅了解。

○ “摇椅式”锂离子电池的工作原理

左边视频右上角显示电池的状态是空的，说明它是全放的状态，也就是放电完了。这个视频要演示在充电的过程中间，电池内部发生了什么。大家注意几个点，红的颗粒代表锂离子，蓝的小颗粒代表这里面产生的电子。可以看到电子在电池的外面，从右边走到左边，锂离子从电池的内部从右边走到左边。到左边的过程，实际上就是充电的过程。

对应的，右边视频显示的是放电的过程，锂离子在电池内部运动，从左边走到右边，电子在外部的电路运动，也是从左边走到右边。这就是它充放电过程的机制。

这样一个来回移动的过程，为什么可以储存能量，这个能量怎么来的？

○ 电池储能机制

来看一下能量空间，用一个水池做类比。左边是负极，右边是正极，绿色的像水一样的就是锂离子或者电子，初始状态是充满能量的。刚开始是放电的过程，这些能量比较高的电子或锂离子把它的能量放掉，两个电极之间逐渐拉平，能量逐渐拉平，这是一个自发的过程。充电的时候，则通过外界的电把能量储存进去，锂离子和电子的势能增加，就把能量充进去。这样一个充放电的过程，电子和离子在不同的位置，但是它的能量有升高和降低，这就是整个锂离子电池储存能量的工作原理。

知道这个原理之后，再来看看这么多锂离子电池，它是怎么被生产出来的？

这个视频最初来自美国西北太平洋国家实验室。锂离子电池生产的第一道工序是混浆，把活性电极材料、导电添加剂、黏合剂都混在一起，这里有一个搅拌机，把它搅拌成均匀分散的浆料。第二步是涂布，把黑乎乎的浆料涂到极片的集流体上。第三步是裁剪，把涂好的极片裁剪成所需要的形状。

这个是极耳，极片的耳朵，是把电引出来的地方，极耳是很多时候电池出问题的原因，大家知道前些年三星手机电池爆炸，经过详细的调查以后，发现问题就出在极耳有短路的可能性，最终导致电池爆炸。

下一步就是这些电池要叠片，刚才讲到电压不够的时候我就把它叠的多一点，实际上在电池里面也是一样的，在内部也需要把更多的电能储存进去，所以要叠很多的片。第五步就是把叠好的片子放到一个外包的壳里面，装成一个袋子。第六步注液就是把电解液装到这个袋子里面去，这个电解液是离子传导的媒介，就像刚才水果电池里的媒介柠檬一样。最后把电池封装起来，拿去做测试或者使用。

可以看到，在一个工厂里面，电池的生产步骤牵涉到很多，从材料、设备、工艺到自动化控制。

前沿电池研究在做什么

当前电池研究在做什么？大家已经看到，可以通过自动化工厂生产很多电池，那么现在的电池还有些什么问题，为什么还要做研究？

第一个研究方向是提高电池能量密度。大家如果自己开电动汽车，经常碰到里程焦虑，眼看电池显示快没电了，但是还没有到下一个充电站，就会有里程焦虑。看一个典型的例子，一个五座的小汽车，车重大约900公斤，如果续航里程需要达到500公里，估算需要400多公斤的电池，也就是说电池会占车重的二分之一到三分之一，对整个交通工具来说，它的能量效率是不高的。所以希望电池的能量密度更高，单位体积的材料能够容纳的锂离子更多，正负极之间的电压越高，电池的能量密度就越高。车身的重量越小，电动车的续航越长，所以这是一个非常重要的方向。但是去做到更高的能量密度还要兼顾到安全性，郑老师刚才提到TNT，能量密度最高的时候就是炸药了。

第二个研究方向是提高电池的安全性。这张照片是特斯拉的汽车在行驶的过程中，碰到了地上一个尖锐的突起，造成了严重的安全事故。

大家知道特斯拉的电池是做在底盘上的，虽然做了安全性能防护，但是在这个事故当中，它的电池被尖锐的突起扎穿，相当于造成了电池短路，最终使电池起火，所以电池的安全性很重要。这是实验室做的一个安全性测试，用两个相同能量密度（205Wh/kg）的电池进行针刺实验，一个是没有经过处理的电池，一个是经过材料改进以后的电池，没有处理的电池发生了严重的燃爆，这个电池是10Ah，一辆普通的乘用车大概有400-500个这样的电池。

所以大家可以想象，如果发生短路或者撞击到尖锐物体等极端情况，安全性不好的电池实际上是很危险的，这也是为什么要不断提升它的能量密度，但同时也提升它的安全性的原因，这是电池的一个重要研究方向。

未来还需要研发什么样的电池？需要把电池工业做的更加绿色、更加环保、更加低成本。刚才演示的这些电池，都需要用到锂元素、钴元素、镍元素，在元素周期表上可以看到金属锂分布不高，钴和镍都属于比较稀有的元素，它们的储量很有限。像金属钴，在整个地球上主要出产于刚果金，这是一个政治上不太稳定的国家，所以金属的来源有问题。因此，电池领域都在开发含有其他元素，像钠、镁、钙、铝这些储藏分布更丰富的材料所做的电池，甚至利用有机材料、绿色生物质材料来做电池。

电池研发其实有很多高大上的研究工具。中国的散裂中子源在广东东莞，中国是继美国、日本、英国以后第四个有散裂中子源的国家，有意思的是散裂中子源上的第一个实验数据和第一篇发表的论文，都是跟锂电池有关的。还有上海光源，包括同步辐射光源和自由电子激光器，以及欧洲的同步辐射光源，苏州的真空互联大装置上有一个锂电的研究平台，还有日本的超级光源spring-8。大家可以看到这些电池研究，未来也会用到有趣的、最先进的工具。

电池技术，可以使人类生活更加绿色

电能无论是使用还是传输，都需要一个比较稳定的负荷负载。但风能和太阳能是间歇性的，有时候有云飘过来，发电的量就少，所以怎么使这些电网更加稳定？就需要有强大的电池进行储能的削峰填谷（注：削峰填谷是调整用电负荷的一种措施，使发电、用电趋于平衡）。所以未来需要运用储能的装置，电动汽车也可以作为分布式的储能装置，整合到整个智能电网里面。

除了可再生能源，未来的人类社会也会更加智能，现在大家都讲5G物联网的应用，讲人工智能和超级计算等。实际上很多移动的装置，家庭智能家居，在路上车子互相之间会有信息的沟通和交流，未来整个地球都会互联在一起。不仅是能源的互联，也是信息的互联，所有在互联的物体、器件，都需要电池，没有电池就不能工作，电池可以使未来更加绿色、更加智能、更加移动。

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