独家剖析一枚电池的前世与今生

或许我们正是一个时代的见证者，在这个时代里，能源又一次要更新换代，而为我们提供能源的未来大型电池，正是由最初那枚毫不起眼的小电池不断升级而来的。电池在我们今天的生活中无处不在以至于几乎被我们忽视。然而，它们却是漫长而传奇历史中的一项卓越发明，拥有精彩而悠久的历史，也将拥有同样璀璨的未来。

 

自从公元前250年被发明以来，电池已经走过了一段漫长的旅程。Flickr/Patty, CC BY-NC-SA

 

电池，从本质上来说，就是一种能够将储存的化学能转化为电能的设备。基本上，电池就是一个小型化学反应器，通过反应产生高能电子，用以注入外部设备之中。

 

电池出现的时间之早超出了我们的想象。1938年，巴格达博物馆主任在该博物馆的地下室中，找到了现在被称为“巴格达电池”的原始电池。分析表明，这一原始电池可以追溯到公元前250年，属于美索不达米亚文明时期的造物。

 

这枚最早的电池引发了很多的争论。对于它的用途，人们众说纷纭，可能的假说包括用于电镀，止痛或者是人们通过与之接触时的刺痛感，来产生宗教体验。

 

美国发明家本杰明·富兰克林在1749年首次使用了“Battery”这一词语。当时他使用了一组串联的电容器来进行电学实验。

 

真正意义上的现代电池是由意大利物理学家Alessandro Volta于1800年发明的。他通过在一枚铜片和一枚锌片中间夹上浸有盐水的布片构筑成一个小单元，再将这些小单元堆叠起来，就得到了“伏打电堆”。

 

导线将电堆的两端连接起来，就能够产生稳定的电流。每一个小单元能够产生0.76伏特（V）的开路电压。通过将这些小单元串联，我们能够得到电压相当于每一个小单元电压的总和。

 

铅蓄电池是目前已知最持久的电池之一，它发明于1859年，现在仍然用于大多数内燃机汽车的点火。它也是最早的可重复充电的电池。

 

汽车电池。Flickr/Asim Bharwani, CC BY-NC-ND

 

时至今日，电池的尺寸可大可小，大至兆瓦级别，用于储存太阳能电厂或是变电站的电力，以保证某一区域稳定的能源供应；小至纽扣大小，为你佩戴的电子手表提供动力。

 

不同的电池基于不同的化学反应，这也使得每一个不同的小单元有着不同的开路电压，通常在1.0至3.6V之间。通过串联这些小单元，我们能够增加电压；而并联这些小单元则能够增强电流。这一规律被我们用来增加电压和电流，以提供我们所需要的电流和电压，即便是兆瓦级别的电池，它的电压和电流也是通过这个最基本规律得到的。

 

现在人们预测，电池技术将再次迎来一次飞跃。新的电池模型将能够从家用太阳能和风能装置中获取足够的能量，并有足够的容量将其储存，在合适的时间（通常是夜晚）为一整个家庭提供未来数天所需的电力。

 

电池是如何工作的

 

当化学反应开始时，额外的电子被释放出来，电池即开始放电。额外电子释放的一个例子是在铁氧化生锈的过程中，铁与氧气发生反应，将电子释放给氧气，形成铁的氧化物。

 

标准的电池构造是将两块化学势不同的金属或是化合物用一层多孔绝缘体隔开。化学势即是储存于原子与化学键之间的能量，当电子能够自由地在连接的外部设备中移动的时候，这些能量能够传递给那些运动的电子。

 

 

盐水这样的导电液体常常被用来传输可溶解的离子，在反应过程中，这些离子在溶液中可以从一种金属的表面转移到另一种金属的表面，我们通常称这样的导电液体为电解质。

 

在放电过程中，失去电子的金属或化合物被称为阳极，得到电子的金属或化合物被称为阴极。在外电路中，电子流从阳极流向阴极，这就是我们用以驱动电力设备的“电流”。

 

一次电池vs充电电池

 

产生电流之后，有些电池的状态无法逆转，我们将这种电池称为一次电池。当反应物之一消耗殆尽，这种电池便无法再使用了。

 

最常见的一次电池是碳锌电池。若电解质为碱性，这种电池能更加持久耐用。这也就是我们通常在超市购买到的碱性电池。

 

我们在日常生活中常用的碱性电池。Flickr/Simon Greig, CC BY-NC-SA