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电池:进化千年的超级电容器

作者:新海燕论坛官网 发布时间:2020-12-02 03:34 点击:

  巴格达古电池、琥珀静电、莱顿瓶、伏特电堆……从波斯文物开启的跨越千年的电池史,是一部趣味科学史。

  1936年6月,一群铁路工人在伊拉克首都巴格达城外修筑铁路时,发现了一处古代坟墓,墓葬石棺中存有大量阿萨息斯王朝时代的器物。

  在这些文物中,考古人员发现了一些奇特的陶制器皿、锈蚀的铜管和铁棒。陶制器皿类似花瓶,高15厘米,白色中夹杂一点淡黄色,边沿已经破碎。上端为口状,瓶里装满了沥青。沥青之中有一个铜管,直径2.6厘米,高9厘米,铜管顶端有一层沥青绝缘体。在铜管中又有一层沥青,并有一根锈迹斑斑的铁棒。铁棒高出沥青绝缘体一厘米,由一层灰色偏黄的物质覆盖着,看上去好像是一层铅。铁棒的下端长出铜管的底座3厘米,使铁棒与铜管隔开。

  当时担任伊拉克博物馆馆长的德国考古学家威廉·卡维尼格经鉴定后对外宣称,在巴格达出土的陶制器皿是一个古代化学电池,只要加上酸溶液或碱溶液,就可以发出电来。考古学家们大胆推测,波斯人制造这些电池的用途是医学麻醉或者用电解法给金属雕像镀金。

  这块巴格达古电池现在收藏于大英博物馆,经实测它产生的电压还不如一块柠檬电池,因此,它的实际用途在考古界至今仍是一个谜。

  真正有史可查的电子可在物体上留存的现象,是人类发现了琥珀摩擦后产生的静电效应,英文中“电”这个名词便是由希腊语“琥珀”转化而来的。公元前6世纪,古希腊人发现用一块棉布摩擦琥珀,就会产生静电。这在中国古籍中也有记载,我国古代科学家王充在《论衡》中写道,“顿牟介,磁石引针”,“顿牟”即指琥珀。东汉武威太守郭宪在《洞冥记》卷四中同样记述了:“帝所幸官人丽娟,以琥珀为佩,置衣裾里不使人知,云骨自鸣。”琥珀具有保持电荷的能力,因而被称作是最早的“电池”。当然,这个“电池”与现在所说的电池无法同日而语。

  琥珀摩擦产生静电的现象引起了人们对于电的兴趣,加上对于自然界中闪电的敬畏好奇,人类对电流的研究悄无声息地进行了几百年。对于电流的研究交流,多见于研究者之间的书信往来之中,这些研究者大多是兼职的兴趣爱好者或者热衷科学发现的富商、贵族们。借助书信传播科学研究成果的作用极其有限,很长一段时期内,人类的眼光仅停留在摩擦生电现象中踟蹰不前。

  电池的新发现与电力研究的进步密不可分,研究电流,需要有生产和存储电力的设备。1654年,德国人居里克发明了空气泵,克将空心硫磺球放置在特殊装置上,使它在两片皮垫上转动,从而使硫磺球带有了静电,可以吸附羽毛、碎纸片等一些小东西。克设计的发电装置,使实验者终于找到了能够发电和暂时存储电荷的可靠办法,接着又开始深入研究电的本质。

  1675年,现代化学之父罗伯特·波义耳出版了《摩擦起电的实验与报告》,被视为第一部电学专著。随后戈登发明了第一台电动机,一个金属星形结构以其中心点做轴向固定,尖端在电荷的作用下能够转动。一时间,电的话题传遍街头巷尾。

  接下来,天才实验家、莱顿大学教授米森布鲁克正式掀开了电池历史的大幕。1746年1月,米森在给巴黎科学院同事的信件中详细阐述了自己的最新研究成果——一种存储电能的电容器,其工作原理很简单:在玻璃瓶的内部包裹一层金属,把静电机的电流导入插在瓶中的导线,从而为瓶内的金属层充电,当外面的金属或人手与导电体相连后,电子就由内部冲到外面,这就是电荷的放电现象。米森对于“莱顿瓶”的详细描述,使其他人可以轻松复制整个实验过程。“莱顿瓶”释放的电流虽然短暂,能量却十分强大,更便于研究。

  1786年,伽伐尼在解剖金属盘上的青蛙时,发现青蛙腿接触手术刀会出乎意料地抽动,伽伐尼便认为电存在于生物体内。伏特不认同他的看法,二人展开论战,伏特也开始全心投入到有关电的实验研究中。伏特受到电鳐身体结构的启发,将锌片、银币、湿纸板重复叠加,用浸湿的双手触摸两端时就会感到强烈的电击,这便是“伏特电堆”,也是第一个现代的化学电池,可以提供稳定的电流。伏特发现电堆两极的金属为锌和银时,产生电力的效果最好。1801年末,伏特向拿破仑演示了自己的发明,拿破仑震动不已,敕封伏特为伯爵。伏特的名字,后来也被作为电动势的单位。

  在伏特的实验精神感召下,欧洲各地都开始制作电池,先后出现了克鲁克香克电池、渥拉斯顿电堆、丹尼尔电池等。

  身为律师和法官的格罗夫爵士将锌铂两极电池放入硝酸内,虽然这种电池会释放有毒的氯化氮气体,但产生了1.8伏左右的较强电荷,后来被电报公司看中。1839年,格罗夫又发明了最早的“燃料电池”,反向利用电流能把水分解成氢和氧的电解反应,把氢和氧结合在一起,就能得到电流和水。只是效果并不理想,未能进行商业投产。

  19世纪50年代,德国化学家本生用碳棒取代了格罗夫使用的昂贵铂电极,降低了电池的制造成本,电池平民化与电力工业化得以同时进行。

  电力成熟利用的第一个领域是通信业,电池也是。1843年5月23日,弃画从商的美国人莫尔斯在最高法院向巴尔的摩发送了第一条电报。1858年,大西洋电缆海底接通。电报的应用促进了各地时间的统一,电报公司可以通过报时服务赚钱。

  1866年,法国工程师勒克朗谢在玻璃罐中填装氯化铵,用二氧化锰做阳极,阴极是锌,外加一根碳棒,发明了“湿电池”。这种成本低廉的“湿电池”生产简单,缺点是电量低。它是锌碳电池或干电池的前身,可用在小型电子设备中。

  19世纪70年代,西部联合电报公司用来“卖时间”赚钱的电池钟,电源正是勒克朗谢电池。

  越来越多的设备需要电能,电池技术开始成为一项产业,而不只是实验工具。那些老式的格罗夫电池造价高,电报局使用的大型电池需要锅炉工一样的专门人员养护,保养不慎就会产生漏液问题。在肯塔基州,一名电报局员工因为电池里硫酸洒出来,透过地板渗到了楼下的经理室而丢掉了工作。此时,全世界都在急需一块更好用、更持久的电池。

  巨大的市场需求推动了技术进步,法国工程师普朗特首先发明了可充电电池,即蓄电池。1887年,德国化学家加斯纳申请了“干电池”的专利。加斯纳在勒克朗谢“湿电池”的基础上稍加改进,把氯化铵与熟石膏和一些氯化锌混合在一起,然后封装在锌筒内。酸性干电池不会漏液,无需维护,可以安装在任何位置上,可靠性一流,在20世纪初成为新一代电器产品的理想电源。此时,发明家爱迪生正在试验一种新的化学材料,十年后,爱迪生发明了碱性电池-可充电铁镍电池。爱迪生的碱性电池被广泛用于道路信号灯和矿工的照明灯,成为爱迪生商业帝国中利润最丰厚的部分。

  二战期间,在美国陆军部的指令下,摩托罗拉公司研发出新型便携式无线电设备。为了满足电子设备日益小型化的电池需求,赛缪尔·鲁本又设计出纽扣电池。得益于此,1957年汉密尔顿公司正式推出了世界上最早的电子手表,每块售价高达175美元。电子手表风靡一时,“猫王”埃尔维斯和电影《黑衣人》中的威尔·史密斯都在佩戴。电池越来越小,电动玩具也越来越复杂,流行的锌碳电池已经难以满足需求。美国人厄里将固体的锌改换成金属粉末,第一款现代意义的碱性电池诞生了,其寿命是锌碳电池的40倍。随着晶体管的发明,集成化电子产品兴起。消费类电子产品的电源固定在了可充电化学电池之中:碱性电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池。

  随着时间的推移,锂离子电池凭借其电压高、能量密度大、性质活泼的优势脱颖而出。如果我们把锂离子电池比喻为一把摇椅,摇椅的两端为电池的两极,那么锂离子就像优秀的运动健将,在摇椅的两端来回奔跑。所以,专家们又给了锂离子电池一个可爱的名字——摇椅式电池。由于锂离子太过活泼,容易引起爆炸,被美国公司放弃了。后来,日本索尼公司和朝日化学公司又经过努力改进,推出了今天所使用的锂离子电池。例如我们现在常见的“18650锂电池”,它是锂离子电池的鼻祖,日本公司当年为了节省成本而定下的一种标准性的锂离子电池型号,其中18表示直径为18毫米,65表示高度为65毫米,0表示为圆柱形电池。

  化学电池,即将化学能转化成电能的装置,如常见的干电池、铅蓄电池、锂电池等。除此之外,还有物理电池、生物电池。

  物理电池,就是依靠物理变化来提供、储存电能的装置。如超级电容、飞轮电池、太阳能电池等等。超级电容是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源,源于法拉第的研究,主要依靠双电层和氧化还原赝电容电荷储存电能,但整个过程是可逆的,且不发生化学反应,可以反复充放电十万次。超级电容以其超长寿命、大电流充电、免维护、温度范围宽等优势,一直作为替代化学电池的未来选择。

  生物电池,是指将生物质能直接转化为电能的装置,因为生物质蕴含的能量绝大部分来自于,是绿色植物和光合细菌通过光合作用转化而来的。

  2000年后,科学家开始关注生物能的开发利用。2005年,日本东北大学研究小组开发出一种利用血液中的糖分发电的生物电池,这可以为植入糖尿病患者体内的测定血糖值的装置提供充足电量,为心脏起搏器提供能量。2013年,科学家发现可以把细菌体表蛋白生成的能量收集起来,作为电能,生物电池诞生了。在宇宙飞船中,科学家用一种芽孢杆菌来处理人的排泄物,生产出氨气,氨气作为电极活性物质,在铂电极发生电极反应,从而产生清洁电流。

  地球能源的有限性,一直激励着各国科学家积极研究新能源电池。近年来,受到追捧的石墨烯电池,便是利用了锂离子在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性。以石墨烯为基础研发出的超级电容器体积小巧,充电速度为普通电池的1000倍。此外,锡纳米晶体锂离子电池、金属-空气电池、液态金属电池等也是各大科研机构追捧的发展点。相信未来电池的内涵会更加强大,将在人工智能、汽车、电子消费、航天等领域得到充分应用。

  2019年10月9日,瑞典皇家科学院宣布,将2019年度诺贝尔化学奖授予美国得州大学奥斯汀分校约翰·古迪纳夫教授、纽约州立大学宾汉姆顿分校斯坦利·惠廷厄姆教授和日本化学家吉野彰,以表彰三位科学家在锂离子电池发展上作出的贡献。此次获奖的三位科学家是锂离子电池研发领域的开拓者,且至今工作在研发一线,正如诺奖委员会在颁奖词中写的——他们创造了一个可充电的世界。

  古迪纳夫1922年7月出生于德国,美国固体物理学家,被称为“锂电池之父”,因为发明可充电锂离子电池而闻名于世。1979年古迪纳夫发现,将钴酸锂(LiCoO2)作为电池的阴极,将除锂之外的金属材料作为阳极,能够实现高密度的能量储存。这一发现为锂离子电池的发展铺平了道路,促成了可充电锂离子电池的广泛应用。1983年,古迪纳夫等发现锰尖晶石是优良的电池阳极材料,因为其具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能,而且分解温度高,且氧化性远低于钴酸锂,即使出现短路、过充电,也能够避免燃烧、爆炸的危险。1989年,古迪纳夫等人发现采用聚电解质(如硫酸盐)的阳极将产生更高的电压,原因是聚电解质的电磁感应效应。此外,他还与日本学者金森顺次郎共同提出“古迪纳夫-金森法则”。

  惠廷厄姆1941年出生于英国。2015年,惠廷厄姆因在锂离子电池领域的开创性研究获得科睿维安化学领域引文桂冠奖。2018年因将插层化学应用在储能材料上的开创性贡献,当选美国国家工程院院士。他的研究兴趣主要在于寻找能够推进储能的新材料,以显著提高电化学装置的储存能力。近年来,他的研究集中在新型无机氧化物材料的制备及其化学和物理性质。最近,他的课题组发现了单相反应在电池电极放电中的关键作用。

  吉野彰1948年1月出生于日本大阪,日本化学家,现代锂离子电池(LIB)的发明者。1983年,吉野彰运用钴酸锂开发阴极,运用聚乙炔开发阳极,制出世界上第一个可充电锂离子电池的原型。1985年克服诸多技术问题,彻底消除金属锂,确立了可充电含锂碱性锂离子电池(LIB)的基本概念,并取得日本注册专利。吉野彰的锂电池突破以往镍氢电池的技术限制,开启了行动电子设备的革命。由于极高的安全性、稳定的能量输出以及合理的价格,锂离子电池最终于1991年首次商业化。 据《北京日报》

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