小电池和它的大影响：如何走出续航、安全等困境？

日常生活中，电池无处不在。现在所有人都离不开智能手机，却又经常抱怨电池续航。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。例如，有些患者安装了心脏起搏器，心脏起搏器的电池寿命与患者的生活质量有着显著的关系。因为电池用完了，需要再做一次手术专门更换电池；如果你想使用风能、太阳能或其他可再生能源，你需要电网有良好的储能能力；当然也有航天卫星，需要电池技术。

无处不在的电池蛙:电池技术发明的伟大贡献者如此重要，它是如何产生的？1786年，在意大利的博洛尼亚大学，有一个解剖学家叫加瓦尼。在他的青蛙解剖实验中，他发现当金属手术刀接触到青蛙的肌肉时，青蛙会跳起来，腿会痉挛。这个发现非常令人惊讶，他认为这里存在生物电。公元18世纪，人们对电的认识主要来源于摩擦起电和自然闪电，所以之前的皮毛摩擦、莱顿瓶等与电有关的现象都是静电。在青蛙腿上发现与摩擦发电相同的现象，在当时确实令人惊讶。这一成果在1791年发表后，受到了极大的关注。例如，它引起了另一位意大利大学教授沃尔塔的注意。沃尔特重复并测试了加瓦加尼的实验。重复了很多遍后，他想:“青蛙腿痉挛会不会和生物学没有关系？”？也许青蛙腿只是一个导体？为了证明这一点，他去除了所有的生物因素，并用两种不同的金属来产生电流。事实上，最终他使用了不同的金属，如活性锌和非活性银或铜，将它们浸入含盐水的纸板中，产生了连续的电流。这是人类历史上第一块电池——光伏电池堆。

由Volta手工制作的“Volta电栈”，目前存放在意大利的Volta博物馆。图片来源:维基百科1800年，伏打的研究使人们对电的理解从静电到动电。当时征服了意大利的拿破仑认识到这项研究工作的重要性，授予他伏打爵士的地位。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1831年进行的。如果没有伏打堆，法拉第不可能进行电磁感应实验，人类也不可能建立电磁学的知识体系。

那么加瓦尼错了吗？事实上，加瓦尼非常坚定地认为他的实验是没有问题的，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。Gavanni只是去做了一个实验，没有使用任何金属。他用青蛙的神经接触青蛙腿部的肌肉，发现青蛙的腿仍然抽筋，这表明即使没有金属和外部伏打堆，生物体也会对电信号做出反应，仍然具有生物电。所以加瓦尼也是对的。经过多年的深入研究，这一现象最终导致了现代电生理学。“我们去医院做心电图和脑电图，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至19世纪的转折时期，加瓦尼与伏打的学术论战对于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离子导电介质，很多东西都可以做电池，盐水浸泡过的纸也可以做电池。有趣的一点是，我们还可以用水果做电池，如下图所示。

水果电池如何充放电？从19世纪开始，一个很重要的事情就是铅酸电池的发展，铅酸电池在1859年被发明出来，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。除了刚刚展示的化学电池，还有太阳能电池、热电池、核电池、燃料电池和生物电池。其中，太阳能电池和热电池属于能源转换离子设备。如果刚才说的化学电池是充电电池，那都是蓄电池。电池是如何工作的？让我们来看看锂离子电池。常见的摇椅式锂离子电池的工作原理可以通过两个图来简单了解。

一款“摇椅”锂离子电池的工作原理，左图右上角显示电池状态为空，表示完全放电，即放电完毕。该视频演示了充电过程中电池内部发生的情况。请注意几点。红色颗粒代表锂离子，蓝色小颗粒代表内部产生的电子。你可以看到电池外面的电子，从右向左移动，锂离子从电池内部，从右向左移动。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，电子在电路外部从左向右移动。这是其充放电过程的机理。为什么能量可以在这样一个来回运动的过程中储存起来？这种能量是怎么来的？

电池储存能量的机制。让我们看一下能量空间，用一池水作为类比。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，初始状态是充满能量的。开始的时候，是一个放电的过程。这些高能电子或锂离子释放出它们的能量，在两个电极之间逐渐变平，能量逐渐变平。这是一个自发的过程。充电时，能量通过外部电力储存。随着锂离子和电子势能的增加，能量被充入。在这样的充放电过程中，电子和离子的位置不同，但能量有增有减。这是整个锂离子电池储存能量的工作原理。知道这个原理后，我们再来看看这么多锂离子电池是怎么生产的？生产锂离子电池的第一步是将活性电极材料、导电添加剂和粘合剂混合在一起。在这里，有一个混合器将它们混合成均匀分散的浆料。第二步是涂层，在电极的集电器上涂上深色的糊状物。第三步是切割，将涂层电极切割成所需的形状。

这是极耳，极片的耳，引出电。极耳通常是电池问题的原因。据了解，三星手机的电池早在几年前就发生过爆炸。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。前面说过，电压不够的时候，我会把它们多堆一点。其实电池内部也是如此。更多的动力需要储存在里面，所以需要堆叠成很多块。第五步:将折叠好的薄膜装入外壳，放入袋子中。第六步注液就是把电解液装进这个袋子里，这个袋子就是离子传导的介质，就像刚才水果电池里的介质柠檬一样。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东西，从材料、设备、工艺到自动化控制。电池寿命和安全等困境:前沿研究能解决吗？电池研究目前在做什么？如你所见，许多电池可以通过自动化化工厂生产。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。如果你开的是自己的电动车，经常会出现里程焦虑。可以看到电池快没电了，但是还没到下一个充电站，就会出现里程焦虑。举个典型的例子，一辆五座汽车重约900公斤。如果射程需要达到500公里，那就是……据估计，它需要400多公斤的电池，这意味着电池占车辆重量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。正负电极之间的电压越高，电池的能量密度越高。车身重量越小，电动车续航时间越长，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。这张照片显示了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，特斯拉的电池是建立在底盘上的。虽然已经提供了安全性能保护，但在此次事故中，其电池被尖锐的突起物刺穿，相当于造成电池短路，最终导致电池起火。因此，电池的安全性非常重要。

这是在实验室进行的安全测试，使用两块能量密度相同(205Wh/kg)的电池进行针灸实验。一种是未经处理的电池，一种是经过材料改性的电池。未处理的电池经历了严重的燃烧和爆炸。这个电池是10Ah，一辆普通乘用车大概有400-500个这样的电池。可想而知，如果发生短路或碰到尖锐物体等极端情况，安全性差的电池其实是非常危险的。这就是为什么需要不断提高它们的能量密度，而且还要提高它们的安全性。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。未来我们需要开发什么样的电池？电池行业需要变得更绿色、更环保、更具成本效益。“刚刚展示的电池都需要锂、钴和镍。从元素周期表可以看出，金属锂的分布并不高。钴和镍是比较稀有的元素，储量有限。”。金属钴和钴一样，主要产于刚果民主共和国，这个国家不稳定，所以这种金属的来源有问题。因此，电池领域正在开发含有钠、镁、钙和铝等其他元素的电池，这些元素的储存和分布更加广泛，甚至使用有机材料和绿色生物质材料来制造电池。

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电池研发其实有很多高水平的研究工具。中国散裂中子源位于广东东莞。中国是继美国、日本和英国之后第四个拥有散裂中子源的国家。有趣的是，散裂中子源的第一批实验数据和第一篇发表的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研究平台，还有日本的超级光源Spring 8。你可以看到，这些电池研究在未来也将使用有趣和最先进的工具。

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无论是使用电能还是传输电能，都需要相对稳定的负载。但是风能和太阳能都是间歇性的，有时会有云飘过来，导致发电量较少。那么如何才能让这些电网更加稳定呢？需要强大的电池来执行能量存储的调峰和填谷。所以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融入整个智能电网。除了可再生能源，未来人类社会也将变得更加智能。现在大家都在谈5G物联网的应用，包括人工智能和超级计算。事实上，许多移动设备，家庭智能家居，以及路上的汽车都将相互通信和交换信息，未来整个地球都将互联互通。不是……ly是能量的互联，也是信息的互联。所有互联的物体和设备都需要电池。没有电池，它们就不能工作。电池可以让未来更环保、更智能、更机动。注:本文基于作者在墨子沙龙上的发言，有部分删减。作者|中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员陈力维

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