一根鐵條插在銅制圓筒里來儲(chǔ)存靜電了，如圖1。當(dāng)然，相不相信這個(gè)傳說是一件仁者見仁智者見智的事情。然而這個(gè)看似荒誕的發(fā)現(xiàn)卻給電池家族披上了一層朦朧的神秘外衣，吸引著一代又一代的科學(xué)家們從此生命不止探索不止。

電池的發(fā)明與發(fā)展

亞里士多德知道磁石是一種具有強(qiáng)大磁力能吸引鐵和金屬的礦石。萊頓大學(xué)的馬森布羅克在1746年發(fā)明了收集電荷的"萊頓瓶"，如圖2。他得出結(jié)論:把帶電體放在玻璃瓶內(nèi)可以把電保存下來。當(dāng)時(shí)搞不清楚保存電的是瓶子還是瓶子里的水，后來人們就把這個(gè)蓄電的瓶子稱作"萊頓瓶"，這個(gè)實(shí)驗(yàn)稱為"萊頓瓶實(shí)驗(yàn)"。1780年，意大利解剖學(xué)家伽伐尼解剖青蛙時(shí)，發(fā)現(xiàn)青蛙腿部的肌肉有立刻抽搐現(xiàn)象，他稱之為"生物電"。而意大利物理學(xué)家伏特認(rèn)為青蛙的肌肉之所以能產(chǎn)生電流，大概是肌肉中某種液體在起作用。伏特將一片鋅和一片銀(例如硬幣)放在一起，然后用舌頭輕輕舔了舔。與兩種金屬接觸的瞬間，他感覺舌尖微微有些刺痛。為了獲得更強(qiáng)的效果，伏特想出了個(gè)聰明的主意：他制造了許多個(gè)這樣的“金屬三明治”，然后把它們疊到了一起。

金屬三明治

不過，鋅—銀—鋅—銀的組合無法達(dá)到理想的效果，因?yàn)槊拷M金屬產(chǎn)生的電很快就會(huì)被下一組反向疊放的金屬抵消，所以伏特需要用能夠?qū)щ姷姆墙饘俳橘|(zhì)把這些金屬片兩兩隔開，換句話說，他需要的是某種非金屬導(dǎo)體。伏特選擇了泡過鹽水的紙板。所以，“三明治”的結(jié)構(gòu)變成了鋅—銀—紙板—鋅—銀—紙板—鋅，如此排列下去。他稱之為“伏特堆”，又叫“電池”。于是，伏特成功制成了世界上第一個(gè)電池--"伏特電堆"串聯(lián)電池組，并成為電報(bào)機(jī)的電力來源。

1836年，英國的丹尼爾對(duì)"伏特電堆"進(jìn)行了改良，制造出第一個(gè)不發(fā)生極化且能保持平衡電流的鋅/銅電池，又稱"丹尼爾電池"，如圖3。1860年，法國的普朗泰發(fā)明出用鉛做電極的蓄電池。1868年，法國的雷克蘭士發(fā)明了世界廣受使用的電池(碳鋅電池)的前身，如圖4。1887年，英國人赫勒森發(fā)明了最早的干電池。干電池的電解液為糊狀不會(huì)溢漏，便于攜帶，因此獲得了廣泛應(yīng)用。

▲(左)有數(shù)千年歷史的用于存儲(chǔ)靜電的粘土瓶(于1932年在伊拉克的巴格達(dá)附近被發(fā)現(xiàn));(右)蓄電的瓶子--"萊頓瓶"。

▲(左)丹尼爾電池;(中)雷克蘭士發(fā)明的鉛酸電池;(右)赫勒森發(fā)明的最早的干電池。

隨后，1890年ThomasEdison發(fā)明可充電的鐵鎳電池;1899年WaldmarJungner發(fā)明鎘鎳電池;1910年可充電的鐵鎳電池商業(yè)化生產(chǎn);1914年ThomasEdison發(fā)明堿性電池;1947年Neumann開發(fā)出密封鎘鎳電池;1976年，PhilipsResearch的科學(xué)家發(fā)明鎳氫電池。通過科學(xué)家們不懈探索，我國于2000年實(shí)現(xiàn)鋰離子電池商業(yè)化生產(chǎn)。

舉足輕重的二次電池

我們通常用的1號(hào)、5號(hào)、7號(hào)電池其實(shí)就是干電池--碳鋅電池，用于手電筒、電視遙控器等裝置，成本低、小巧而易于攜帶但不能充電，通俗地說就是一次電池。

隨著一次電池的發(fā)展，逐漸又衍生出了二次電池，二次電池還被稱為"新能源電池"，它不僅可以儲(chǔ)存電能，而且還可以反復(fù)充電反復(fù)使用直至"壽終正寢"。

二次電池可以說是電池這個(gè)龐大家族中舉足輕重的一員，它衍生出了許多"子子孫孫"，可謂"數(shù)世同堂"。無論天上飛的、陸上跑的、水里游的，大到飛機(jī)、輪船，小到手機(jī)、筆記本電腦，隨時(shí)隨地都可看到它默默工作無怨無悔的身影。二次電池的應(yīng)用主要分為兩類:一是作為能量貯存裝置，主電源器對(duì)其進(jìn)行充電，當(dāng)主電源器失效或無法滿足能耗時(shí)，則由二次電池按要求供電;二是像原電池一樣放電，使用后在設(shè)備中或獨(dú)立進(jìn)行充電。

二次電池主要用于純電動(dòng)汽車(EV)、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(HEV)、插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(PHEV)。其中HEV由汽油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力來源，更強(qiáng)調(diào)加速性能和爬坡能力，因此就更注重電池的比功率;PHEV和EV則完全以電池作為動(dòng)力，更強(qiáng)調(diào)充電后的續(xù)駛能力，因而更關(guān)注電池的比能量。

目前，國內(nèi)外很多新能源汽車，例如日產(chǎn)Leaf、豐田普銳斯plug-in、特斯拉Model-S、通用Volt、福特FocusEV以及寶馬i3都采用鋰離子電池作為動(dòng)力源。鋰離子電池具有價(jià)格低、能量密度高、循環(huán)壽命長、安全性能高、自放電率低、可循環(huán)使用等多種優(yōu)點(diǎn)，因此在通訊等便攜式電子產(chǎn)品中占有主導(dǎo)地位。

那么鋰離子電池是怎樣實(shí)現(xiàn)能量循環(huán)利用呢?原來啊，鋰離子電池由正極、負(fù)極、隔膜和電解液構(gòu)成，其正、負(fù)極材料均能夠嵌脫鋰離子。鋰離子電池實(shí)際上是一個(gè)Li+濃差電池。在充放電過程中，Li+在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌。它采用一種類似搖椅式的工作原理，充放電過程中Li+在正負(fù)極間來回穿梭，從一邊"搖"到另一邊，往復(fù)循環(huán)從而實(shí)現(xiàn)電池的充放電過程。

當(dāng)前鋰離子電池的性能瓶頸因素主要集中在鋰離子電池正極材料，所以正極材料研究是目前電化學(xué)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)之一。

▲新能源汽車電池性能比較

二次電池界的新星

雖然鋰離子電池在通訊等便攜式電子產(chǎn)品中占主導(dǎo)地位，不過作為二次電池界的新星，鋰硫電池也有不可忽視的潛力地位。

鋰硫電池具有能量密度高、硫資源豐富、成本低、耐過充性能好等優(yōu)點(diǎn)，在未來的二次電源發(fā)展中最具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)單質(zhì)硫的放電理論比容量可高達(dá)1673mAh/g，遠(yuǎn)高于現(xiàn)階段市場(chǎng)上商業(yè)化的二次電池，它的工作電壓在2.1V左右。能滿足多種場(chǎng)合的應(yīng)用需求，是目前正在開發(fā)的二次電池體系中最有希望實(shí)現(xiàn)能量密度大于500Wh/Kg的二次電池體系。

鋰硫電池具有能量密度高、硫資源豐富、成本低、耐過充性能好等優(yōu)點(diǎn)，在未來的二次電源發(fā)展中最具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)單質(zhì)硫的放電理論比容量可高達(dá)1673mAh/g，遠(yuǎn)高于現(xiàn)階段市場(chǎng)上商業(yè)化的二次電池，它的工作電壓在2.1V左右。能滿足多種場(chǎng)合的應(yīng)用需求，是目前正在開發(fā)的二次電池體系中最有希望實(shí)現(xiàn)能量密度大于500Wh/Kg的二次電池體系。

針對(duì)鋰硫電池中活性物質(zhì)硫單質(zhì)電子、離子電導(dǎo)率低、充放電過程中多硫化物溶出、體積變化大等棘手問題，科研工作者不斷對(duì)正極材料結(jié)構(gòu)、負(fù)極、電解液、隔膜進(jìn)行改進(jìn)，旨在抑制多硫化物穿梭效應(yīng)，提高活性物質(zhì)利用率，克服充放電過程中的巨大體積變化，提高電池安全性及循環(huán)壽命。

除此之外，還要盡量抑制飛梭效應(yīng)。鋰硫二次電池的飛梭效應(yīng)是指在鋰硫二次電池的充放電過程中，生成的高聚硫化物溶解在電解液中并擴(kuò)散到鋰負(fù)極，直接與金屬鋰發(fā)生副反應(yīng)，生成低聚硫化物。這些低價(jià)態(tài)聚硫離子擴(kuò)散到硫正極，再次生成高價(jià)態(tài)聚硫離子。由于飛梭效應(yīng)對(duì)充放電效率、放電容量和自放電自放熱、過充保護(hù)都有影響，所以要盡量抑制。

在我國，國務(wù)院發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012-2020)》，《中國制造2025》還有"十三五"新能源汽車重點(diǎn)專項(xiàng)(2016-2020)分別指出到2020年為技術(shù)提升階段，將能量型鋰離子電池單體比能量提升至300Wh/Kg，成本降至1.5元/Wh以下;到2025年為產(chǎn)業(yè)發(fā)展階段，單體電池能量密度達(dá)到400Wh/Kg，動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展與國際先進(jìn)水平接軌，擁有2-3家具有較強(qiáng)國際競(jìng)爭(zhēng)力的大型動(dòng)力電池公司;到2030年為產(chǎn)業(yè)成熟階段，新體系電池的能量密度達(dá)500Wh/Kg以上，動(dòng)力電池及技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入國際領(lǐng)先行列。實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，目前來看短期目標(biāo)有望通過進(jìn)一步改進(jìn)三元材料，發(fā)展高鎳/高壓三元材料得以實(shí)現(xiàn)。而有望實(shí)現(xiàn)長期目標(biāo)的材料則為鋰硫電池，因而目前，有關(guān)鋰硫電池的研究逐步增多，鋰硫二次電池正逐步成為二次電池界的新星。

神奇的燃料電池

燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，它是由英國保險(xiǎn)統(tǒng)計(jì)員威廉.格羅夫(WillionGrove)于1839年發(fā)明的。燃料電池主要是通過氫氣和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而發(fā)電的。1889年蒙德(Mond)和蘭結(jié)(Langer)報(bào)導(dǎo)了他們對(duì)格羅夫工作的發(fā)展，即用空氣代替了氧，用煤氣代替了氫。雅克思(Jacques)設(shè)計(jì)制造了一個(gè)龐大的磚結(jié)構(gòu)燃料電池，以碳棒作陽極，空氣電池為陰極，熔融氫氧化鈉為電解質(zhì)，輸出電壓約1V，電流密度約100毫安/平方厘米，此電池連續(xù)工作了半年之久。鮑爾(Baure)用碳酸鹽作為電解質(zhì)，碳作陽極，四氧化三鐵為陰極，使用權(quán)溫度升高到1000度左右。但由于高溫下電池材料的腐蝕十分嚴(yán)重，因而未能商業(yè)化。燃料電池現(xiàn)代紀(jì)元的開始是與弗朗西斯(Francis)、培根(Bacon)、愛德華(Edward)、丘思迪(Justi)等人的貢獻(xiàn)分不開的。培根于1932年開始進(jìn)行燃料電池的研究工作，他強(qiáng)調(diào)不使用貴金屬，相信高溫(200度)和高壓(約4KPa)能夠減少極化，百對(duì)于電催化卻一無所知。但培根成功的關(guān)鍵在于他無意中使用了電催化技術(shù)。1958年8月培根演示了一個(gè)5千瓦功率的電池系統(tǒng)，它能夠用為一部2噸鏟車的動(dòng)力。此后，燃料電池才有了它的第一個(gè)實(shí)際應(yīng)用，即在宇宙飛船中作為輔助動(dòng)力源，如照明、通信、取暖等。

不同于一次電池和二次電池，燃料電池就像一個(gè)發(fā)電機(jī)，一邊不斷加入燃料，一邊就能不停地發(fā)電，可以不斷把燃料中的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置。燃料電池一般包括質(zhì)子交換膜燃料電池、磷酸燃料電池、堿性燃料電池、固體氧化物燃料電池及熔融碳酸鹽燃料電池等。

一次電池的活性物質(zhì)利用完畢就不能再放電，二次電池在充電時(shí)也不能輸出電能。而燃料電池只要不斷地供給燃料，就像往爐膛里添加煤和油一樣，能連續(xù)地輸出電能。一次或二次電池與環(huán)境只有能量交換而沒有物質(zhì)的交換，是一個(gè)封閉的電化學(xué)系統(tǒng);而燃料電池卻是一個(gè)敞開的電化學(xué)系統(tǒng)，與環(huán)境既有能量的交換，又有物質(zhì)的交換。

由于燃料電池能將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，因此，它沒有像火力發(fā)電機(jī)那樣通過鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的能量形態(tài)變化，可以避免中間的轉(zhuǎn)換的損失，達(dá)到很高的發(fā)電效率。

燃料電池從發(fā)明至今已經(jīng)經(jīng)歷了100多年的歷程。近20年以來，燃料電池這種高效、潔凈的能量轉(zhuǎn)化裝置得到了各國政府、開發(fā)商及研究機(jī)構(gòu)的普遍重視。燃料電池在交通運(yùn)輸、便攜式電源、分散電站、特種/天及水下潛器等民用與特種領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。目前，燃料電池汽車、電站及便攜式電源等均處于示范階段，在商業(yè)化道路上還需要解決成本、壽命等一些瓶頸問題。未來我國應(yīng)大力推進(jìn)燃料電池在水下潛器、航天飛行器等特殊領(lǐng)域的應(yīng)用，同時(shí)，在民用領(lǐng)域要實(shí)現(xiàn)燃料電池壽命與成本兼顧。