你真理解电池么？

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三位并非是共同事情研究，而是作为锂电池奠基者、锂电池改造者和锂电池优化者在各处单独进行研讨。
目前生活中所不可或缺的各类电子产品都离不开他们的功劳，无论是手机、电脑、相机还是电动汽车，都是基于锂电池技能的成熟才得到快速的发展。

电池简史

你真理解电池么？你真理解电池么？智能家居

要想理解他们的贡献，得先理解一下电池发展里程。

（图片来自网络侵删）

电池的基本事理即是用“活性较高”的金属材料制作阳极（即负极-），而用较为稳定的材料制作阴极（即正极+），阳极材料由于库仑力的缘故原由丢失电子（还原反应），流向阴极使其得到电子（氧化反应），而电池内部（电解液）则发生阴极的阴离子流旭日极与阳离子结合，由此形成回路，产生电能。

也正是由于这种流动实质上是化学反应，以是遵照能量守恒定律。
如果对外部用电器（手机、相机等耗电物品）做功了，也就意味着反应产生的能量被用电器“接管”了，达到相对的平衡。
如果没有用电器，但是回路接通，就意味着能量无处可用，将会变成热能，且速率非常快，由于电子移动的速率与光速相同，也便是为什么电池发生短路时会剧烈发热乃至燃烧爆炸。

一旦电池内部化学能量花费完毕，则电池就没用了。
以是可充电的电池，即是能够通过外部通电将内部的化学反应“还原”（归位），也就须要选择特殊的材料和设计，能够“完美”恢复原样，使得电池重新得到化学能量。

（伏特堆电池，图来自Visual Capitalist）

1799年，意大利物理学家Alessandro Volta发明了第一款电池（Vlotaic Pile 伏特堆），他利用锌片（阳极）和铜片（阴极）以及浸湿盐水的纸片（电解液）制成了电池，以证明了电是可以人为制造出来的。

（丹尼尔电池，图来自Visual Capitalist）

大约40年后，以为英国化学家John Frederic Daniell通过变换电池形式，办理了伏特堆放电时产生的氢气气泡问题（由于发生化学反应产生了氢气，从而导致电池内部打仗不良），此时电池可以达到1V电压。

（铅酸电池，图来自Visual Capitalist）

1850年，法国物理学家Gaston Planté发明了铅酸电池（阳极为铅、阴极为铅氧化物、硫酸溶液为电解质），利用铅不仅仅做到了极低的本钱，还能够供应12V的电压，且能够充电循环利用。
这类电池被广泛利用，车载蓄电池、早期电动车等都采取这类电池，截止2014年，环球约售出了4470万块铅酸电池。

（镍镉电池，图来自Visual Capitalist）

1899年，瑞典人Waldemar Jungner发明了镍镉电池（镍为阴极、镉为阳极，采取液体电解液），也便是小时候常常会用到的随身听、四驱车所用的充电电池，为当代电子科技打下了根本。
不过这类电池有个巨大的缺陷，也便是老一辈人常常会见告你充电池必须用完才能充电的缘故原由，由于其化学特性的缘故原由，如果未用完电量就充电，会发生“镉中毒”征象，导致电池“影象”了“最低电量”，导致下次充满电量缩小，以是逐渐就被市场淘汰了。

（碱性电池，图来自Visual Capitalist）

1950之后，加拿大工程师Lewis Urry发明了现在非常常见的碱性电池（锌为阳极、镁氧化物为阴极，氢氧化钾为电解液，也便是碱性电池名字来源），便是平时生活中常用的一次性电池，绝大多数都是不可充电的，当然也有分外设计的碱性电池能够充电，乃至还能够通过按压电池表面显示当前电量。
环球售出超过100亿颗。

（镍氢电池，图来自Visual Capitalist）

1989年，第一款商业镍氢电池问世（阳极为金属氢化物或储氢合金、阴极为氢氧化镍），耗时超过20年研发，由戴姆勒-奔驰和德国大众资助。
通过新的配方，镍氢电池相较于镍镉电池提高了能量密度，并且污染减少。
更主要的一点，镍氢电池没有“影象效应”，以是不必像镍镉电池一样担心利用问题。
除了大量被利用于数码产品之外，还被早期的丰田Prius混动车所采取。

（锂离子电池，图来自Visual Capitalist）

1991年，索尼公司推出了第一款商业锂离子电池（阳极为石墨，阴极为锂化合物，电极液为锂盐溶于有机溶剂），由于锂电池的高能量密度和配方不同能够适应不同利用环境的特点，被现在广泛利用。

（左侧纵向为电流、右侧为单位功率、横向为能量密度）

上述多种电池历经200年历史才走到锂电池阶段，其目的便是为了更为轻便、小巧、能量更高，期间很多人为此付出了巨大的努力。

诺贝尔化学奖

锂元素是由Johan August Arfwedson于1817年创造的。
锂的特性决定了它非常适宜做高能量密度、高电压的电池。

但是由于锂活性过于高，以是碰着水或者空气都可能发生剧烈反应以至于燃烧和爆炸，如何“驯服”它成为了电池发展的关键。
此外，锂作为阳极时无可厚非的了，但是如何探求一种适宜作阴极的材料成为了研究着正向追逐的目标。

（锂碰着水发生剧烈反应）

1970年代爆发过一次石油危急，M·斯坦利·威廷汉（M. Stanley Whittingham）决定致力于研发新的能源科技摆脱石油的束缚。

M·斯坦利·威廷汉（M. Stanley Whittingham）

一开始他专注于研究超级导体，然而有时创造了一种蕴含巨大能量的物质，可以作为锂电池的阴极。

经由多年的实验和研究，M·斯坦利·威廷汉终极采取用硫化钛锂（LixTiS2）作为锂电池的阴极材料，金属锂作为阳极材料，制成了一款锂电池。
其电压可达到2.5V，并且在险些不丢失电量情形下循环1100次。
但是，由于阳极材料中含有金属锂，而它活性太高，该电池非常不稳定，随意马虎发生燃烧或爆炸情形。

（锂枝晶征象）

那时，“大哥大”利用的便是这种电池，持有该技能的加拿大公司Moli Energy，将产品问世不到半年，就由于动怒爆炸问题而环球召回，从此屁滚尿流，后来被日本NEC公司收购。
但NEC公司经由几年的检测和摸索，终于弄清楚了涌现问题的紧张缘故原由，在利用过程，阳极材料金属里会发生“锂枝晶”征象，使得阳极材料变形导致可能碰到阴极材料引起短路。
虽然找到了缘故原由，但却迟迟不得办理办法。

以是这款电池在商用研发的道路上，碰着了巨大障碍。

涌现问题后，科学家们想起了1938年Rüdorff提出的理论，“离子转移电池”方法（ion transfer cell configuration）。
于是决定采取一种材料可以替代金属锂作为阳极材料——石墨，阳极材料的目的就开释电子，而石墨的特性可以使电子储存在碳元素之间，虽然石墨相较于金属锂活性（储存电子能力）差一些，但是更加安全。

基于此发展，约翰·B·古迪纳夫（John B.Goodenough）也在研究阴极材料的改进，他预测氧化锂化合物比硫化锂化合物要更为得当。

约翰·B·古迪纳夫（John B.Goodenough）

在经由一系列的实验研究后，1980年，古迪纳夫想外界展示了钴酸锂（LixCoO2）作为阴极的锂电池。

由于采取了石墨作为阳极，这款电池部分办理了“锂枝晶”征象，防止了内部短路征象，又由于其阴极材料的选取，将电压提高至4V（乃至可以达到5V），总体来说相较于威廷汉的锂电池性能好很多、安全很多。

由于该思路过于前卫，又或者是Moli Energy的教训太过于惨痛，当时没有任何一家企业敢接古迪纳夫的发明，乃至自己的母校牛津大学都不愿意为其申请专利。
但索尼公司伸出了橄榄枝，将其技能运用于生产，帮助索尼一跃成为锂电池行业老大。

然而有一位科学家认为这还不足，日本的吉野彰（Akira Yoshino）以古迪纳夫的锂电池为根本，将阳极材料从石墨改为了石油焦。

吉野彰（Akira Yoshino）

虽然同为碳元素组成，但是以此达到了轻量化和耐久性。
这款电池能够充放电几百次也不失落去性能。

实在从古迪纳夫开始，这两种锂电池已经不是化学反应产生的电能，而是“纯挚”的阴阳极之间的电子流动产生的，而这种能量纯粹来自于外界充入的“过量”电子，存贮于两极之间，用于做功，以是实在这两款并不叫锂电池，而是锂离子电池（Lithium-ion）。

锂电池的未来

从1991年锂电池问世以来，已经经历了很多的变革，但基本上都是基于上述三位的研究成果而来。
从小处看，锂电池为方便生活、丰富生活供应了可能，从长远看，未来利用可持续能源，例如风电、水电、太阳能是趋势，锂电池作为储能设备，能够将这些能源保存起来，并在须要时候利用，使得发电装置“去中央化”。

此外，随着汽车逐渐开始“电动化”，锂电池成为了汽车行业的“宠儿”。