通用汽車宣布在全美建設充電站網絡

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日常生活中，電池無處不在。現在每個人都離不開智能手機，但他們經常抱怨電池的壽命。除了手機和電腦，還有很多常用的電動工具，青少年和兒童的玩具或機器人，甚至重要的電動車。核心需要電池。除了這些熟悉的物品，其他方面也需要電池。比如有的患者安裝了起搏器，起搏器的電池壽命與患者的生活質量有很大關系。因為電池用完了，需要再做一次手術更換電池。如果要利用風能、太陽能或其他可再生能源，需要電網有良好的儲能能力；當然還有航天衛星，需要電池技術。

無處不在的電池蛙:發明電池技術的大功臣如此重要，是怎么發明的？1786年，意大利博洛尼亞大學有個解剖學家叫加瓦尼。他在做青蛙解剖實驗的時候，發現金屬手術刀碰到青蛙肌肉的時候，青蛙會跳，腿會抽筋。這一發現非常令人驚訝。他認為這里有生物電。18世紀人們對電的認識主要來源于摩擦起電和自然閃電，所以之前和電有關的現象，比如皮毛摩擦、萊頓瓶，都是靜電。在青蛙的腿上發現與摩擦電相同的現象，當時真的很神奇。這一成果在1791年發表后，引起了人們的極大關注。例如，它引起了另一位意大利大學教授沃爾特的注意。沃爾特重復并測試了加瓦尼的實驗。重復多次后，他想:青蛙腿痙攣會不會和生物無關？也許青蛙的腿只是一個導體？為了證明這一點，他去除了所有與生物有關的因素，用兩種不同的金屬來發電。的確，最后他用不同的金屬，比如活性的鋅和不活性的銀或銅，用鹽水浸泡紙板，產生了持續的電流。這是人類歷史上第一個電池——伏打堆。

伏打自己做的“伏打堆”，現在在意大利伏打博物館。圖片來源:1800年維基百科對伏打的這個研究，讓人們對電的認識從靜電變成了動電。當時征服了意大利的拿破侖意識到了這項研究工作的重要性，授予了伏打爵士的地位。直到現在，我們物理學中的電壓單位“伏特”也是以他的名字命名的。當然，這項工作的重要性不僅僅在于獲獎，還在于為電磁學的產生和發展奠定了基礎。法拉第的電磁感應實驗是在1831年做的。如果當初沒有電堆，法拉第就不可能做電磁感應實驗，人類就不可能建立電磁知識體系。

那么伽伐尼錯了嗎？事實上，加爾瓦尼堅持自己的意見。他認為他的實驗沒有問題，他做了很長時間的實驗來驗證。伏打說電流來自兩種不同的金屬。加爾瓦尼只是去做一個沒有任何金屬的實驗。他用青蛙的神經接觸青蛙腿上的肌肉，發現青蛙的腿還是會痙攣。這說明即使沒有金屬，沒有外接電堆，生物也會對電信號產生反應，生物電依然存在。所以伽伐尼是對的，經過多年的深入研究，這一現象終于產生了現代電生理學。我們去醫院做心電圖，腦電圖，都和電生理有關。美國和中國都在研究神經科學和腦科學。這些信號傳輸是基于人體內離子產生的電流。可想而知，在18世紀到19世紀的轉折時期，加瓦尼與伏打的學術論爭對人類知識體系的構建具有重要意義。根據伏打的結論，只要有兩種不同的金屬和一種離子傳導介質，很多東西都可以做電池，用鹽水浸泡過的紙也可以做電池。有意思的是，我們還可以用水果做電池，如下圖。

水果電池怎么充放電？從19世紀開始，一個很重要的事情就是鉛酸電池的發展，1859年發明了鉛酸電池，應用在電動自行車等很多場景。1990年鋰離子電池的商業化也是一個重要的里程碑。現在有一個龐大的電池家族，除了剛才展示的化學電池，還有太陽能電池、熱電電池、核電池、燃料電池和生物電池，其中太陽能電池和熱電電池屬于能量轉換器件。如果剛才提到的化學電池是可充電的……電池，它們都是蓄電池。電池是如何工作的？讓我們通過鋰離子電池來了解一下。萬能搖椅鋰離子電池的工作原理可以通過兩張圖來理解。

“搖椅”鋰離子電池工作原理左圖右上角顯示電池狀態為空，表示完全放電，即已放電完畢。該視頻將演示充電過程中電池內部發生的情況。注意幾點。紅色粒子代表鋰離子，藍色小粒子代表其中產生的電子。你可以看到電子在電池外面，從右到左，鋰離子在電池里面，從右到左。左邊的過程其實就是充電的過程。相應的，右圖是放電的過程。鋰離子在電池內部從左向右移動，電子在外部電路中也從左向右移動。這就是它充放電過程的機理。這樣一個來回移動的過程為什么能儲存能量，這個能量是怎么來的？

我們用電池儲存能量的機理來看能量空間，用一個水池來類比。左邊是負極，右邊是正極，綠色的像水一樣的是鋰離子或者電子，初始狀態充滿能量。一開始，是一個放電的過程。這些能量較高的電子或鋰離子釋放出能量，兩個電極逐漸平穩，能量逐漸平穩。這是一個自發的過程。充電時，能量由外部電能儲存。當鋰離子和電子的勢能增加時，能量被充電。在這樣的充放電過程中，電子和離子處于不同的位置，但是它們的能量有增有減，這就是整個鋰離子電池儲存能量的工作原理。知道這個原理之后，我們再來看看這么多的鋰離子電池。它們是如何產生的？鋰離子電池生產的第一道工序是漿料混合，將活性電極材料、導電添加劑和粘合劑混合在一起。有攪拌機將其攪拌成均勻分散的漿料。第二步是涂布，將黑色漿料涂布在極片的集流體上。第三步是切割，即將涂覆好的極片切割成需要的形狀。

這是極耳，極片的極耳，電從這里引出。在許多情況下，凸耳是電池問題的原因。眾所周知，幾年前三星手機電池爆炸。經過詳細調查，發現問題出在極耳可能短路，最終導致電池爆炸。下一步是堆疊這些電池。剛才電壓不夠的時候，我就多堆一點。其實在電池里也是一樣，更多的電能需要儲存在里面，所以我要疊很多張。第五步，將折疊好的薄膜裝入外殼，放入袋子中。第六步，在袋子里裝滿電解液，電解液是離子傳導的介質，就像剛才水果電池里的檸檬一樣。最后，將電池包裝好，拿去檢測或使用。可見，在一個工廠里，電池的生產步驟涉及很多，從材料、設備、工藝到自動控制。電池壽命與安全的兩難:前沿研究能解決嗎？現在的電池研究在做什么？如你所見，很多電池都可以由自動化工廠生產，那么現在的電池有什么問題呢？我們為什么需要做研究？第一個研究方向是提高電池的能量密度。如果自己開電動車，經常會遇到里程焦慮。看到電池顯示快沒電了，而你還沒有到達下一個充電站，你就會產生里程焦慮。看一個典型的例子。一輛五座汽車重約900公斤。如果續航里程需要達到500公里，估計需要400多公斤的電池，也就是說電池會……占車重的二分之一到三分之一。對于整車來說，它的能效并不高。所以希望電池的能量密度更高，單位體積的材料可以容納更多的鋰離子。陽極和陰極之間的電壓越高，電池的能量密度越高。車重越小，電動車的續航時間越長，所以這是一個很重要的方向。第二個研究方向是提高電池的安全性。這張照片顯示的是特斯拉的汽車在行駛過程中撞上了地面上的一個尖銳的凸起，造成了嚴重的安全事故。

眾所周知，特斯拉的電池是在底盤上做的。雖然已經有了安全性能的保護，但是在這次事故中，它的電池被尖銳的突起物刺穿，相當于造成了電池的短路，最終導致電池起火，所以電池的安全性非常重要。

這是在實驗室里做的安全測試。兩個具有相同能量密度(205Wh/kg)的電池用于針刺實驗。一個是未經處理的電池，另一個是改進材料的電池。未處理的電池發生了嚴重的爆炸。這個電池是10Ah，一輛普通的客車大概有400-500個這樣的電池。可想而知，安全性差的電池，如果出現短路或與尖銳物體碰撞等極端情況，其實是非常危險的，這也是為什么要不斷提高其能量密度，但同時又要提高其安全性的原因。這是電池的一個重要研究方向。電池技術可以讓人類生活更加綠色。未來需要開發什么樣的電池？要讓電池行業更綠色、更環保、成本更低。這些電池需要鋰、鈷和鎳。在元素周期表上，我們可以看到金屬鋰的分布并不高，鈷和鎳是比較稀有的元素，儲量非常有限。比如金屬鈷，主要產自剛果黃金，這是一個不穩定的國家，所以金屬的來源是有問題的。因此，電池領域正在開發鈉、鎂、鈣、鋁等儲存和分布更豐富的材料制成的電池，甚至使用有機材料和綠色生物質材料制成電池。

其實電池研發的研究工具有很多。中國散裂中子源位于廣東東莞，中國是繼美、日、英之后第四個擁有散裂中子源的國家。有趣的是，第一批實驗數據和第一篇發表的散裂中子源論文都與鋰電池有關。還有上海光源，包括同步輻射光源和自由電子激光器，還有歐洲的同步輻射光源。蘇州的真空互聯裝置上有鋰電池的研究平臺，日本有超級光源spring-8。你可以看到，這些電池研究在未來也會使用有趣和先進的工具。

無論是使用電能還是傳輸電能，都需要一個相對穩定的負載。但是風能和太陽能都是間歇性的，有時候會有云飄過來，所以發電量小，那么如何讓這些電網更穩定呢？調峰填谷需要有強大的電池(注:調峰填谷是調節電力負荷的措施，使發電和用電趨于平衡)。因此，未來需要使用儲能裝置，電動汽車也可以作為分布式儲能裝置納入整個智能電網。除了可再生能源，未來的人類社會將更加智能。現在大家都在說5G物聯網、人工智能、超級計算的應用。事實上，許多移動設備、家庭智能家居、汽車將在路上相互通信和交換信息，未來整個地球都將互聯互通。日常生活中，電池無處不在。現在每個人都離不開智能手機，…他們經常抱怨電池壽命。除了手機和電腦，還有很多常用的電動工具，青少年和兒童的玩具或機器人，甚至重要的電動車。核心需要電池。除了這些熟悉的物品，其他方面也需要電池。比如有的患者安裝了起搏器，起搏器的電池壽命與患者的生活質量有很大關系。因為電池用完了，需要再做一次手術更換電池。如果要利用風能、太陽能或其他可再生能源，需要電網有良好的儲能能力；當然還有航天衛星，需要電池技術。