巴格達(dá)古電池、琥珀靜電、萊頓瓶、伏特電堆……從波斯文物開啟的跨越千年的電池史，是一部趣味科學(xué)史。

　　從巴格達(dá)古電池到萊頓瓶

　　1936年6月，一群鐵路工人在伊拉克首都巴格達(dá)城外修筑鐵路時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一處古代墳?zāi)?，墓葬石棺中存有大量阿薩息斯王朝時(shí)代的器物。

　　在這些文物中，考古人員發(fā)現(xiàn)了一些奇特的陶制器皿、銹蝕的銅管和鐵棒。陶制器皿類似花瓶，高15厘米，白色中夾雜一點(diǎn)淡黃色，邊沿已經(jīng)破碎。上端為口狀，瓶里裝滿了瀝青。瀝青之中有一個(gè)銅管，直徑2.6厘米，高9厘米，銅管頂端有一層瀝青絕緣體。在銅管中又有一層瀝青，并有一根銹跡斑斑的鐵棒。鐵棒高出瀝青絕緣體一厘米，由一層灰色偏黃的物質(zhì)覆蓋著，看上去好像是一層鉛。鐵棒的下端長出銅管的底座3厘米，使鐵棒與銅管隔開。

　　當(dāng)時(shí)擔(dān)任伊拉克博物館館長的德國考古學(xué)家威廉·卡維尼格經(jīng)鑒定后對外宣稱，在巴格達(dá)出土的陶制器皿是一個(gè)古代化學(xué)電池，只要加上酸溶液或堿溶液，就可以發(fā)出電來?？脊艑W(xué)家們大膽推測，波斯人制造這些電池的用途是醫(yī)學(xué)麻醉或者用電解法給金屬雕像鍍金。

　　這塊巴格達(dá)古電池現(xiàn)在收藏于大英博物館，經(jīng)實(shí)測它產(chǎn)生的電壓還不如一塊檸檬電池，因此，它的實(shí)際用途在考古界至今仍是一個(gè)謎。

　　真正有史可查的電子可在物體上留存的現(xiàn)象，是人類發(fā)現(xiàn)了琥珀摩擦后產(chǎn)生的靜電效應(yīng)，英文中“電”這個(gè)名詞便是由希臘語“琥珀”轉(zhuǎn)化而來的。公元前6世紀(jì)，古希臘人發(fā)現(xiàn)用一塊棉布摩擦琥珀，就會產(chǎn)生靜電。這在中國古籍中也有記載，我國古代科學(xué)家王充在《論衡》中寫道，“頓牟介，磁石引針”，“頓牟”即指琥珀。東漢武威太守郭憲在《洞冥記》卷四中同樣記述了：“帝所幸官人麗娟，以琥珀為佩，置衣裾里不使人知，云骨自鳴?！辩昃哂斜３蛛姾傻哪芰?，因而被稱作是最早的“電池”。當(dāng)然，這個(gè)“電池”與現(xiàn)在所說的電池?zé)o法同日而語。

　　琥珀摩擦產(chǎn)生靜電的現(xiàn)象引起了人們對于電的興趣，加上對于自然界中閃電的敬畏好奇，人類對電流的研究悄無聲息地進(jìn)行了幾百年。對于電流的研究交流，多見于研究者之間的書信往來之中，這些研究者大多是兼職的興趣愛好者或者熱衷科學(xué)發(fā)現(xiàn)的富商、貴族們。借助書信傳播科學(xué)研究成果的作用極其有限，很長一段時(shí)期內(nèi)，人類的眼光僅停留在摩擦生電現(xiàn)象中踟躕不前。

　　電池的新發(fā)現(xiàn)與電力研究的進(jìn)步密不可分，研究電流，需要有生產(chǎn)和存儲電力的設(shè)備。1654年，德國人居里克發(fā)明了空氣泵，居里克將空心硫磺球放置在特殊裝置上，使它在兩片皮墊上轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使硫磺球帶有了靜電，可以吸附羽毛、碎紙片等一些小東西。居里克設(shè)計(jì)的發(fā)電裝置，使實(shí)驗(yàn)者終于找到了能夠發(fā)電和暫時(shí)存儲電荷的可靠辦法，接著又開始深入研究電的本質(zhì)。

　　1675年，現(xiàn)代化學(xué)之父羅伯特·波義耳出版了《摩擦起電的實(shí)驗(yàn)與報(bào)告》，被視為第一部電學(xué)專著。隨后戈登發(fā)明了第一臺電動(dòng)機(jī)，一個(gè)金屬星形結(jié)構(gòu)以其中心點(diǎn)做軸向固定，尖端在電荷的作用下能夠轉(zhuǎn)動(dòng)。一時(shí)間，電的話題傳遍街頭巷尾。

　　接下來，天才實(shí)驗(yàn)家、萊頓大學(xué)教授米森布魯克正式掀開了電池歷史的大幕。1746年1月，米森布魯克在給巴黎科學(xué)院同事的信件中詳細(xì)闡述了自己的最新研究成果——一種存儲電能的電容器，其工作原理很簡單：在玻璃瓶的內(nèi)部包裹一層金屬，把靜電機(jī)的電流導(dǎo)入插在瓶中的導(dǎo)線，從而為瓶內(nèi)的金屬層充電，當(dāng)外面的金屬或人手與導(dǎo)電體相連后，電子就由內(nèi)部沖到外面，這就是電荷的放電現(xiàn)象。米森布魯克對于“萊頓瓶”的詳細(xì)描述，使其他人可以輕松復(fù)制整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程?！叭R頓瓶”釋放的電流雖然短暫，能量卻十分強(qiáng)大，更便于研究。

　　從伏特電堆到搖椅式電池時(shí)代

　　1786年，伽伐尼在解剖金屬盤上的青蛙時(shí)，發(fā)現(xiàn)青蛙腿接觸手術(shù)刀會出乎意料地抽動(dòng)，伽伐尼便認(rèn)為電存在于生物體內(nèi)。伏特不認(rèn)同他的看法，二人展開論戰(zhàn)，伏特也開始全心投入到有關(guān)電的實(shí)驗(yàn)研究中。伏特受到電鰩身體結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，將鋅片、銀幣、濕紙板重復(fù)疊加，用浸濕的雙手觸摸兩端時(shí)就會感到強(qiáng)烈的電擊，這便是“伏特電堆”，也是第一個(gè)現(xiàn)代的化學(xué)電池，可以提供穩(wěn)定的電流。伏特發(fā)現(xiàn)電堆兩極的金屬為鋅和銀時(shí)，產(chǎn)生電力的效果最好。1801年末，伏特向拿破侖演示了自己的發(fā)明，拿破侖震動(dòng)不已，敕封伏特為伯爵。伏特的名字，后來也被作為電動(dòng)勢的單位。

　　在伏特的實(shí)驗(yàn)精神感召下，歐洲各地都開始制作電池，先后出現(xiàn)了克魯克香克電池、渥拉斯頓電堆、丹尼爾電池等。

　　身為律師和法官的格羅夫爵士將鋅鉑兩極電池放入硝酸內(nèi)，雖然這種電池會釋放有毒的氯化氮?dú)怏w，但產(chǎn)生了1.8伏左右的較強(qiáng)電荷，后來被電報(bào)公司看中。1839年，格羅夫又發(fā)明了最早的“燃料電池”，反向利用電流能把水分解成氫和氧的電解反應(yīng)，把氫和氧結(jié)合在一起，就能得到電流和水。只是效果并不理想，未能進(jìn)行商業(yè)投產(chǎn)。

　　19世紀(jì)50年代，德國化學(xué)家本生用碳棒取代了格羅夫使用的昂貴鉑電極，降低了電池的制造成本，電池平民化與電力工業(yè)化得以同時(shí)進(jìn)行。

　　電力成熟利用的第一個(gè)領(lǐng)域是通信業(yè)，電池也是。1843年5月23日，棄畫從商的美國人莫爾斯在最高法院向巴爾的摩發(fā)送了第一條電報(bào)。1858年，大西洋電纜海底接通。電報(bào)的應(yīng)用促進(jìn)了各地時(shí)間的統(tǒng)一，電報(bào)公司可以通過報(bào)時(shí)服務(wù)賺錢。

　　1866年，法國工程師勒克朗謝在玻璃罐中填裝氯化銨，用二氧化錳做陽極，陰極是鋅，外加一根碳棒，發(fā)明了“濕電池”。這種成本低廉的“濕電池”生產(chǎn)簡單，缺點(diǎn)是電量低。它是鋅碳電池或干電池的前身，可用在小型電子設(shè)備中。

　　19世紀(jì)70年代，西部聯(lián)合電報(bào)公司用來“賣時(shí)間”賺錢的電池鐘，電源正是勒克朗謝電池。

　　越來越多的設(shè)備需要電能，電池技術(shù)開始成為一項(xiàng)產(chǎn)業(yè)，而不只是實(shí)驗(yàn)工具。那些老式的格羅夫電池造價(jià)高，電報(bào)局使用的大型電池需要鍋爐工一樣的專門人員養(yǎng)護(hù)，保養(yǎng)不慎就會產(chǎn)生漏液問題。在肯塔基州，一名電報(bào)局員工因?yàn)殡姵乩锪蛩釣⒊鰜?，透過地板滲到了樓下的經(jīng)理室而丟掉了工作。此時(shí)，全世界都在急需一塊更好用、更持久的電池。

　　巨大的市場需求推動(dòng)了技術(shù)進(jìn)步，法國工程師普朗特首先發(fā)明了可充電電池，即蓄電池。1887年，德國化學(xué)家加斯納申請了“干電池”的專利。加斯納在勒克朗謝“濕電池”的基礎(chǔ)上稍加改進(jìn)，把氯化銨與熟石膏和一些氯化鋅混合在一起，然后封裝在鋅筒內(nèi)。酸性干電池不會漏液，無需維護(hù)，可以安裝在任何位置上，可靠性一流，在20世紀(jì)初成為新一代電器產(chǎn)品的理想電源。此時(shí)，發(fā)明家愛迪生正在試驗(yàn)一種新的化學(xué)材料，十年后，愛迪生發(fā)明了堿性電池-可充電鐵鎳電池。愛迪生的堿性電池被廣泛用于道路信號燈和礦工的照明燈，成為愛迪生商業(yè)帝國中利潤最豐厚的部分。

　　二戰(zhàn)期間，在美國陸軍部的指令下，摩托羅拉公司研發(fā)出新型便攜式無線電設(shè)備。為了滿足電子設(shè)備日益小型化的電池需求，賽繆爾·魯本又設(shè)計(jì)出紐扣電池。得益于此，1957年漢密爾頓公司正式推出了世界上最早的電子手表，每塊售價(jià)高達(dá)175美元。電子手表風(fēng)靡一時(shí)，“貓王”埃爾維斯和電影《黑衣人》中的威爾·史密斯都在佩戴。電池越來越小，電動(dòng)玩具也越來越復(fù)雜，流行的鋅碳電池已經(jīng)難以滿足需求。美國人厄里將固體的鋅改換成金屬粉末，第一款現(xiàn)代意義的堿性電池誕生了，其壽命是鋅碳電池的40倍。隨著晶體管的發(fā)明，集成化電子產(chǎn)品興起。消費(fèi)類電子產(chǎn)品的電源固定在了可充電化學(xué)電池之中：堿性電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池。

　　隨著時(shí)間的推移，鋰離子電池憑借其電壓高、能量密度大、性質(zhì)活潑的優(yōu)勢脫穎而出。如果我們把鋰離子電池比喻為一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，那么鋰離子就像優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)健將，在搖椅的兩端來回奔跑。所以，專家們又給了鋰離子電池一個(gè)可愛的名字——搖椅式電池。由于鋰離子太過活潑，容易引起爆炸，被美國公司放棄了。后來，日本索尼公司和朝日化學(xué)公司又經(jīng)過努力改進(jìn)，推出了今天所使用的鋰離子電池。例如我們現(xiàn)在常見的“18650鋰電池”，它是鋰離子電池的鼻祖，日本索尼公司當(dāng)年為了節(jié)省成本而定下的一種標(biāo)準(zhǔn)性的鋰離子電池型號，其中18表示直徑為18毫米，65表示高度為65毫米，0表示為圓柱形電池。

　　電池改變了人類生活

　　化學(xué)電池，即將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，如常見的干電池、鉛蓄電池、鋰電池等。除此之外，還有物理電池、生物電池。

　　物理電池，就是依靠物理變化來提供、儲存電能的裝置。如超級電容、飛輪電池、太陽能電池等等。超級電容是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間、具有特殊性能的電源，源于法拉第的研究，主要依靠雙電層和氧化還原贗電容電荷儲存電能，但整個(gè)過程是可逆的，且不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可以反復(fù)充放電十萬次。超級電容以其超長壽命、大電流充電、免維護(hù)、溫度范圍寬等優(yōu)勢，一直作為替代化學(xué)電池的未來選擇。

　　生物電池，是指將生物質(zhì)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，因?yàn)樯镔|(zhì)蘊(yùn)含的能量絕大部分來自于太陽能，是綠色植物和光合細(xì)菌通過光合作用轉(zhuǎn)化而來的。

　　2000年后，科學(xué)家開始關(guān)注生物能的開發(fā)利用。2005年，日本東北大學(xué)研究小組開發(fā)出一種利用血液中的糖分發(fā)電的生物電池，這可以為植入糖尿病患者體內(nèi)的測定血糖值的裝置提供充足電量，為心臟起搏器提供能量。2013年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)可以把細(xì)菌體表蛋白生成的能量收集起來，作為電能，生物電池誕生了。在宇宙飛船中，科學(xué)家用一種芽孢桿菌來處理人的排泄物，生產(chǎn)出氨氣，氨氣作為電極活性物質(zhì)，在鉑電極發(fā)生電極反應(yīng)，從而產(chǎn)生清潔電流。

　　地球能源的有限性，一直激勵(lì)著各國科學(xué)家積極研究新能源電池。近年來，受到追捧的石墨烯電池，便是利用了鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運(yùn)動(dòng)的特性。以石墨烯為基礎(chǔ)研發(fā)出的超級電容器體積小巧，充電速度為普通電池的1000倍。此外，錫納米晶體鋰離子電池、金屬-空氣電池、液態(tài)金屬電池等也是各大科研機(jī)構(gòu)追捧的發(fā)展點(diǎn)。相信未來電池的內(nèi)涵會更加強(qiáng)大，將在人工智能、汽車、電子消費(fèi)、航天等領(lǐng)域得到充分應(yīng)用。

　　延伸閱讀

　　他們創(chuàng)造了一個(gè)可充電的世界

　　2019年10月9日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2019年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予美國得州大學(xué)奧斯汀分校約翰·古迪納夫教授、紐約州立大學(xué)賓漢姆頓分校斯坦利·惠廷厄姆教授和日本化學(xué)家吉野彰，以表彰三位科學(xué)家在鋰離子電池發(fā)展上作出的貢獻(xiàn)。此次獲獎(jiǎng)的三位科學(xué)家是鋰離子電池研發(fā)領(lǐng)域的開拓者，且至今工作在研發(fā)一線，正如諾獎(jiǎng)委員會在頒獎(jiǎng)詞中寫的——他們創(chuàng)造了一個(gè)可充電的世界。

　　古迪納夫1922年7月出生于德國，美國固體物理學(xué)家，被稱為“鋰電池之父”，因?yàn)榘l(fā)明可充電鋰離子電池而聞名于世。1979年古迪納夫發(fā)現(xiàn)，將鈷酸鋰(LiCoO2)作為電池的陰極，將除鋰之外的金屬材料作為陽極，能夠?qū)崿F(xiàn)高密度的能量儲存。這一發(fā)現(xiàn)為鋰離子電池的發(fā)展鋪平了道路，促成了可充電鋰離子電池的廣泛應(yīng)用。1983年，古迪納夫等發(fā)現(xiàn)錳尖晶石是優(yōu)良的電池陽極材料，因?yàn)槠渚哂械蛢r(jià)、穩(wěn)定和優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)鋰性能，而且分解溫度高，且氧化性遠(yuǎn)低于鈷酸鋰，即使出現(xiàn)短路、過充電，也能夠避免燃燒、爆炸的危險(xiǎn)。1989年，古迪納夫等人發(fā)現(xiàn)采用聚電解質(zhì)(如硫酸鹽)的陽極將產(chǎn)生更高的電壓，原因是聚電解質(zhì)的電磁感應(yīng)效應(yīng)。此外，他還與日本學(xué)者金森順次郎共同提出“古迪納夫-金森法則”。

　　惠廷厄姆1941年出生于英國。2015年，惠廷厄姆因在鋰離子電池領(lǐng)域的開創(chuàng)性研究獲得科睿維安化學(xué)領(lǐng)域引文桂冠獎(jiǎng)。2018年因?qū)⒉鍖踊瘜W(xué)應(yīng)用在儲能材料上的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)，當(dāng)選美國國家工程院院士。他的研究興趣主要在于尋找能夠推進(jìn)儲能的新材料，以顯著提高電化學(xué)裝置的儲存能力。近年來，他的研究集中在新型無機(jī)氧化物材料的制備及其化學(xué)和物理性質(zhì)。最近，他的課題組發(fā)現(xiàn)了單相反應(yīng)在電池電極放電中的關(guān)鍵作用。

　　吉野彰1948年1月出生于日本大阪，日本化學(xué)家，現(xiàn)代鋰離子電池(LIB)的發(fā)明者。1983年，吉野彰運(yùn)用鈷酸鋰開發(fā)陰極，運(yùn)用聚乙炔開發(fā)陽極，制出世界上第一個(gè)可充電鋰離子電池的原型。1985年克服諸多技術(shù)問題，徹底消除金屬鋰，確立了可充電含鋰堿性鋰離子電池(LIB)的基本概念，并取得日本注冊專利。吉野彰的鋰電池突破以往鎳氫電池的技術(shù)限制，開啟了行動(dòng)電子設(shè)備的革命。由于極高的安全性、穩(wěn)定的能量輸出以及合理的價(jià)格，鋰離子電池最終于1991年首次商業(yè)化。