小電池和它的大影響：如何走出續航、安全等困境？

日常生活中，電池無處不在。現在所有人都離不開智能手機，卻又經常抱怨電池續航。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。例如，有些患者安裝了心臟起搏器，心臟起搏器的電池壽命與患者的生活質量有著顯著的關系。因為電池用完了，需要再做一次手術專門更換電池；如果你想使用風能、太陽能或其他可再生能源，你需要電網有良好的儲能能力；當然也有航天衛星，需要電池技術。

無處不在的電池蛙:電池技術發明的偉大貢獻者如此重要，它是如何產生的？1786年，在意大利的博洛尼亞大學，有一個解剖學家叫加瓦尼。在他的青蛙解剖實驗中，他發現當金屬手術刀接觸到青蛙的肌肉時，青蛙會跳起來，腿會痙攣。這個發現非常令人驚訝，他認為這里存在生物電。公元18世紀，人們對電的認識主要來源于摩擦起電和自然閃電，所以之前的皮毛摩擦、萊頓瓶等與電有關的現象都是靜電。在青蛙腿上發現與摩擦發電相同的現象，在當時確實令人驚訝。這一成果在1791年發表后，受到了極大的關注。例如，它引起了另一位意大利大學教授沃爾塔的注意。沃爾特重復并測試了加瓦加尼的實驗。重復了很多遍后，他想:“青蛙腿痙攣會不會和生物學沒有關系？”？也許青蛙腿只是一個導體？為了證明這一點，他去除了所有的生物因素，并用兩種不同的金屬來產生電流。事實上，最終他使用了不同的金屬，如活性鋅和非活性銀或銅，將它們浸入含鹽水的紙板中，產生了連續的電流。這是人類歷史上第一塊電池——光伏電池堆。

由Volta手工制作的“Volta電棧”，目前存放在意大利的Volta博物館。圖片來源:維基百科1800年，伏打的研究使人們對電的理解從靜電到動電。當時征服了意大利的拿破侖認識到這項研究工作的重要性，授予他伏打爵士的地位。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1831年進行的。如果沒有伏打堆，法拉第不可能進行電磁感應實驗，人類也不可能建立電磁學的知識體系。

那么加瓦尼錯了嗎？事實上，加瓦尼非常堅定地認為他的實驗是沒有問題的，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。Gavanni只是去做了一個實驗，沒有使用任何金屬。他用青蛙的神經接觸青蛙腿部的肌肉，發現青蛙的腿仍然抽筋，這表明即使沒有金屬和外部伏打堆，生物體也會對電信號做出反應，仍然具有生物電。所以加瓦尼也是對的。經過多年的深入研究，這一現象最終導致了現代電生理學。“我們去醫院做心電圖和腦電圖，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至19世紀的轉折時期，加瓦尼與伏打的學術論戰對于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離子導電介質，很多東西都可以做電池，鹽水浸泡過的紙也可以做電池。有趣的一點是，我們還可以用水果做電池，如下圖所示。

水果電池如何充放電？從19世紀開始，一個很重要的事情就是鉛酸電池的發展，鉛酸電池在1859年被發明出來，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。除了剛剛展示的化學電池，還有太陽能電池、熱電池、核電池、燃料電池和生物電池。其中，太陽能電池和熱電池屬于能源轉換離子設備。如果剛才說的化學電池是充電電池，那都是蓄電池。電池是如何工作的？讓我們來看看鋰離子電池。常見的搖椅式鋰離子電池的工作原理可以通過兩個圖來簡單了解。

一款“搖椅”鋰離子電池的工作原理，左圖右上角顯示電池狀態為空，表示完全放電，即放電完畢。該視頻演示了充電過程中電池內部發生的情況。請注意幾點。紅色顆粒代表鋰離子，藍色小顆粒代表內部產生的電子。你可以看到電池外面的電子，從右向左移動，鋰離子從電池內部，從右向左移動。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，電子在電路外部從左向右移動。這是其充放電過程的機理。為什么能量可以在這樣一個來回運動的過程中儲存起來？這種能量是怎么來的？

電池儲存能量的機制。讓我們看一下能量空間，用一池水作為類比。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，初始狀態是充滿能量的。開始的時候，是一個放電的過程。這些高能電子或鋰離子釋放出它們的能量，在兩個電極之間逐漸變平，能量逐漸變平。這是一個自發的過程。充電時，能量通過外部電力儲存。隨著鋰離子和電子勢能的增加，能量被充入。在這樣的充放電過程中，電子和離子的位置不同，但能量有增有減。這是整個鋰離子電池儲存能量的工作原理。知道這個原理后，我們再來看看這么多鋰離子電池是怎么生產的？生產鋰離子電池的第一步是將活性電極材料、導電添加劑和粘合劑混合在一起。在這里，有一個混合器將它們混合成均勻分散的漿料。第二步是涂層，在電極的集電器上涂上深色的糊狀物。第三步是切割，將涂層電極切割成所需的形狀。

這是極耳，極片的耳，引出電。極耳通常是電池問題的原因。據了解，三星手機的電池早在幾年前就發生過爆炸。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。前面說過，電壓不夠的時候，我會把它們多堆一點。其實電池內部也是如此。更多的動力需要儲存在里面，所以需要堆疊成很多塊。第五步:將折疊好的薄膜裝入外殼，放入袋子中。第六步注液就是把電解液裝進這個袋子里，這個袋子就是離子傳導的介質，就像剛才水果電池里的介質檸檬一樣。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東西，從材料、設備、工藝到自動化控制。電池壽命和安全等困境:前沿研究能解決嗎？電池研究目前在做什么？如你所見，許多電池可以通過自動化化工廠生產。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。如果你開的是自己的電動車，經常會出現里程焦慮。可以看到電池快沒電了，但是還沒到下一個充電站，就會出現里程焦慮。舉個典型的例子，一輛五座汽車重約900公斤。如果射程需要達到500公里，那就是……據估計，它需要400多公斤的電池，這意味著電池占車輛重量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。正負電極之間的電壓越高，電池的能量密度越高。車身重量越小，電動車續航時間越長，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。這張照片顯示了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，特斯拉的電池是建立在底盤上的。雖然已經提供了安全性能保護，但在此次事故中，其電池被尖銳的突起物刺穿，相當于造成電池短路，最終導致電池起火。因此，電池的安全性非常重要。

這是在實驗室進行的安全測試，使用兩塊能量密度相同(205Wh/kg)的電池進行針灸實驗。一種是未經處理的電池，一種是經過材料改性的電池。未處理的電池經歷了嚴重的燃燒和爆炸。這個電池是10Ah，一輛普通乘用車大概有400-500個這樣的電池。可想而知，如果發生短路或碰到尖銳物體等極端情況，安全性差的電池其實是非常危險的。這就是為什么需要不斷提高它們的能量密度，而且還要提高它們的安全性。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。未來我們需要開發什么樣的電池？電池行業需要變得更綠色、更環保、更具成本效益。“剛剛展示的電池都需要鋰、鈷和鎳。從元素周期表可以看出，金屬鋰的分布并不高。鈷和鎳是比較稀有的元素，儲量有限。”。金屬鈷和鈷一樣，主要產于剛果民主共和國，這個國家不穩定，所以這種金屬的來源有問題。因此，電池領域正在開發含有鈉、鎂、鈣和鋁等其他元素的電池，這些元素的儲存和分布更加廣泛，甚至使用有機材料和綠色生物質材料來制造電池。

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電池研發其實有很多高水平的研究工具。中國散裂中子源位于廣東東莞。中國是繼美國、日本和英國之后第四個擁有散裂中子源的國家。有趣的是，散裂中子源的第一批實驗數據和第一篇發表的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研究平臺，還有日本的超級光源Spring 8。你可以看到，這些電池研究在未來也將使用有趣和最先進的工具。

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無論是使用電能還是傳輸電能，都需要相對穩定的負載。但是風能和太陽能都是間歇性的，有時會有云飄過來，導致發電量較少。那么如何才能讓這些電網更加穩定呢？需要強大的電池來執行能量存儲的調峰和填谷。所以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融入整個智能電網。除了可再生能源，未來人類社會也將變得更加智能。現在大家都在談5G物聯網的應用，包括人工智能和超級計算。事實上，許多移動設備，家庭智能家居，以及路上的汽車都將相互通信和交換信息，未來整個地球都將互聯互通。不是……ly是能量的互聯，也是信息的互聯。所有互聯的物體和設備都需要電池。沒有電池，它們就不能工作。電池可以讓未來更環保、更智能、更機動。注:本文基于作者在墨子沙龍上的發言，有部分刪減。作者|中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員陳力維

標簽：發現世紀特斯拉現代

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