通用汽车宣布在全美建设充电站网络

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时间：1900/1/1 0:00:00

日常生活中，电池无处不在。现在每个人都离不开智能手机，但他们经常抱怨电池的寿命。除了手机和电脑，还有很多常用的电动工具，青少年和儿童的玩具或机器人，甚至重要的电动车。核心需要电池。除了这些熟悉的物品，其他方面也需要电池。比如有的患者安装了起搏器，起搏器的电池寿命与患者的生活质量有很大关系。因为电池用完了，需要再做一次手术更换电池。如果要利用风能、太阳能或其他可再生能源，需要电网有良好的储能能力；当然还有航天卫星，需要电池技术。

无处不在的电池蛙:发明电池技术的大功臣如此重要，是怎么发明的？1786年，意大利博洛尼亚大学有个解剖学家叫加瓦尼。他在做青蛙解剖实验的时候，发现金属手术刀碰到青蛙肌肉的时候，青蛙会跳，腿会抽筋。这一发现非常令人惊讶。他认为这里有生物电。18世纪人们对电的认识主要来源于摩擦起电和自然闪电，所以之前和电有关的现象，比如皮毛摩擦、莱顿瓶，都是静电。在青蛙的腿上发现与摩擦电相同的现象，当时真的很神奇。这一成果在1791年发表后，引起了人们的极大关注。例如，它引起了另一位意大利大学教授沃尔特的注意。沃尔特重复并测试了加瓦尼的实验。重复多次后，他想:青蛙腿痉挛会不会和生物无关？也许青蛙的腿只是一个导体？为了证明这一点，他去除了所有与生物有关的因素，用两种不同的金属来发电。的确，最后他用不同的金属，比如活性的锌和不活性的银或铜，用盐水浸泡纸板，产生了持续的电流。这是人类历史上第一个电池——伏打堆。

伏打自己做的“伏打堆”，现在在意大利伏打博物馆。图片来源:1800年维基百科对伏打的这个研究，让人们对电的认识从静电变成了动电。当时征服了意大利的拿破仑意识到了这项研究工作的重要性，授予了伏打爵士的地位。直到现在，我们物理学中的电压单位“伏特”也是以他的名字命名的。当然，这项工作的重要性不仅仅在于获奖，还在于为电磁学的产生和发展奠定了基础。法拉第的电磁感应实验是在1831年做的。如果当初没有电堆，法拉第就不可能做电磁感应实验，人类就不可能建立电磁知识体系。

那么伽伐尼错了吗？事实上，加尔瓦尼坚持自己的意见。他认为他的实验没有问题，他做了很长时间的实验来验证。伏打说电流来自两种不同的金属。加尔瓦尼只是去做一个没有任何金属的实验。他用青蛙的神经接触青蛙腿上的肌肉，发现青蛙的腿还是会痉挛。这说明即使没有金属，没有外接电堆，生物也会对电信号产生反应，生物电依然存在。所以伽伐尼是对的，经过多年的深入研究，这一现象终于产生了现代电生理学。我们去医院做心电图，脑电图，都和电生理有关。美国和中国都在研究神经科学和脑科学。这些信号传输是基于人体内离子产生的电流。可想而知，在18世纪到19世纪的转折时期，加瓦尼与伏打的学术论争对人类知识体系的构建具有重要意义。根据伏打的结论，只要有两种不同的金属和一种离子传导介质，很多东西都可以做电池，用盐水浸泡过的纸也可以做电池。有意思的是，我们还可以用水果做电池，如下图。

水果电池怎么充放电？从19世纪开始，一个很重要的事情就是铅酸电池的发展，1859年发明了铅酸电池，应用在电动自行车等很多场景。1990年锂离子电池的商业化也是一个重要的里程碑。现在有一个庞大的电池家族，除了刚才展示的化学电池，还有太阳能电池、热电电池、核电池、燃料电池和生物电池，其中太阳能电池和热电电池属于能量转换器件。如果刚才提到的化学电池是可充电的……电池，它们都是蓄电池。电池是如何工作的？让我们通过锂离子电池来了解一下。万能摇椅锂离子电池的工作原理可以通过两张图来理解。

“摇椅”锂离子电池工作原理左图右上角显示电池状态为空，表示完全放电，即已放电完毕。该视频将演示充电过程中电池内部发生的情况。注意几点。红色粒子代表锂离子，蓝色小粒子代表其中产生的电子。你可以看到电子在电池外面，从右到左，锂离子在电池里面，从右到左。左边的过程其实就是充电的过程。相应的，右图是放电的过程。锂离子在电池内部从左向右移动，电子在外部电路中也从左向右移动。这就是它充放电过程的机理。这样一个来回移动的过程为什么能储存能量，这个能量是怎么来的？

我们用电池储存能量的机理来看能量空间，用一个水池来类比。左边是负极，右边是正极，绿色的像水一样的是锂离子或者电子，初始状态充满能量。一开始，是一个放电的过程。这些能量较高的电子或锂离子释放出能量，两个电极逐渐平稳，能量逐渐平稳。这是一个自发的过程。充电时，能量由外部电能储存。当锂离子和电子的势能增加时，能量被充电。在这样的充放电过程中，电子和离子处于不同的位置，但是它们的能量有增有减，这就是整个锂离子电池储存能量的工作原理。知道这个原理之后，我们再来看看这么多的锂离子电池。它们是如何产生的？锂离子电池生产的第一道工序是浆料混合，将活性电极材料、导电添加剂和粘合剂混合在一起。有搅拌机将其搅拌成均匀分散的浆料。第二步是涂布，将黑色浆料涂布在极片的集流体上。第三步是切割，即将涂覆好的极片切割成需要的形状。

这是极耳，极片的极耳，电从这里引出。在许多情况下，凸耳是电池问题的原因。众所周知，几年前三星手机电池爆炸。经过详细调查，发现问题出在极耳可能短路，最终导致电池爆炸。下一步是堆叠这些电池。刚才电压不够的时候，我就多堆一点。其实在电池里也是一样，更多的电能需要储存在里面，所以我要叠很多张。第五步，将折叠好的薄膜装入外壳，放入袋子中。第六步，在袋子里装满电解液，电解液是离子传导的介质，就像刚才水果电池里的柠檬一样。最后，将电池包装好，拿去检测或使用。可见，在一个工厂里，电池的生产步骤涉及很多，从材料、设备、工艺到自动控制。电池寿命与安全的两难:前沿研究能解决吗？现在的电池研究在做什么？如你所见，很多电池都可以由自动化工厂生产，那么现在的电池有什么问题呢？我们为什么需要做研究？第一个研究方向是提高电池的能量密度。如果自己开电动车，经常会遇到里程焦虑。看到电池显示快没电了，而你还没有到达下一个充电站，你就会产生里程焦虑。看一个典型的例子。一辆五座汽车重约900公斤。如果续航里程需要达到500公里，估计需要400多公斤的电池，也就是说电池会……占车重的二分之一到三分之一。对于整车来说，它的能效并不高。所以希望电池的能量密度更高，单位体积的材料可以容纳更多的锂离子。阳极和阴极之间的电压越高，电池的能量密度越高。车重越小，电动车的续航时间越长，所以这是一个很重要的方向。第二个研究方向是提高电池的安全性。这张照片显示的是特斯拉的汽车在行驶过程中撞上了地面上的一个尖锐的凸起，造成了严重的安全事故。

众所周知，特斯拉的电池是在底盘上做的。虽然已经有了安全性能的保护，但是在这次事故中，它的电池被尖锐的突起物刺穿，相当于造成了电池的短路，最终导致电池起火，所以电池的安全性非常重要。

这是在实验室里做的安全测试。两个具有相同能量密度(205Wh/kg)的电池用于针刺实验。一个是未经处理的电池，另一个是改进材料的电池。未处理的电池发生了严重的爆炸。这个电池是10Ah，一辆普通的客车大概有400-500个这样的电池。可想而知，安全性差的电池，如果出现短路或与尖锐物体碰撞等极端情况，其实是非常危险的，这也是为什么要不断提高其能量密度，但同时又要提高其安全性的原因。这是电池的一个重要研究方向。电池技术可以让人类生活更加绿色。未来需要开发什么样的电池？要让电池行业更绿色、更环保、成本更低。这些电池需要锂、钴和镍。在元素周期表上，我们可以看到金属锂的分布并不高，钴和镍是比较稀有的元素，储量非常有限。比如金属钴，主要产自刚果黄金，这是一个不稳定的国家，所以金属的来源是有问题的。因此，电池领域正在开发钠、镁、钙、铝等储存和分布更丰富的材料制成的电池，甚至使用有机材料和绿色生物质材料制成电池。

其实电池研发的研究工具有很多。中国散裂中子源位于广东东莞，中国是继美、日、英之后第四个拥有散裂中子源的国家。有趣的是，第一批实验数据和第一篇发表的散裂中子源论文都与锂电池有关。还有上海光源，包括同步辐射光源和自由电子激光器，还有欧洲的同步辐射光源。苏州的真空互联装置上有锂电池的研究平台，日本有超级光源spring-8。你可以看到，这些电池研究在未来也会使用有趣和先进的工具。

无论是使用电能还是传输电能，都需要一个相对稳定的负载。但是风能和太阳能都是间歇性的，有时候会有云飘过来，所以发电量小，那么如何让这些电网更稳定呢？调峰填谷需要有强大的电池(注:调峰填谷是调节电力负荷的措施，使发电和用电趋于平衡)。因此，未来需要使用储能装置，电动汽车也可以作为分布式储能装置纳入整个智能电网。除了可再生能源，未来的人类社会将更加智能。现在大家都在说5G物联网、人工智能、超级计算的应用。事实上，许多移动设备、家庭智能家居、汽车将在路上相互通信和交换信息，未来整个地球都将互联互通。日常生活中，电池无处不在。现在每个人都离不开智能手机，…他们经常抱怨电池寿命。除了手机和电脑，还有很多常用的电动工具，青少年和儿童的玩具或机器人，甚至重要的电动车。核心需要电池。除了这些熟悉的物品，其他方面也需要电池。比如有的患者安装了起搏器，起搏器的电池寿命与患者的生活质量有很大关系。因为电池用完了，需要再做一次手术更换电池。如果要利用风能、太阳能或其他可再生能源，需要电网有良好的储能能力；当然还有航天卫星，需要电池技术。