每块成功的充电电池背后，都有一群“得寸进尺”的科学家.doc

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1、每块成功的充电电池背后，都有一群“得寸进尺”的科学家锂电池修复锂电池手机锂离子电池18650锂电池锂聚合物电池聚合物锂离子电池5号充电电池充电电池什么牌子好充电电池哪个牌子好充电电池寿命镍氢充电电chenwei发表于 2015-05-0517:43近日，斯坦福大学的戴宏杰研究组在《自然》发表论文，宣布研发出了充电极快、寿命超长的铝离子电池，引起了广泛关注。比起耳熟能详的“锂电池”，人们对铝离子电池的感觉要陌生得多。为什么要研发这样的新电池？这还得从充电电池的发展说起。初中时，我有一部黄色的随身听。我给它准备了3对充

2、电电池轮番上阵，这样，当周杰伦的声音突然变得缓慢时，我知道总有电池可以更换。后来，我有了MP3和手机，就渐渐不再听随身听了，需要经常充电的，也从圆柱形的5号电池换成了扁扁的锂电池。在我看来，世上无法逃避的事情，除了死亡和交税，还有给电池充电。不是每一节电池都叫可充电电池电池是生活中再常见不过的物品了。它进入人类世界已有200年的历史。早在1800年，意大利科学家亚历山德罗·伏特（AlessandroVolta）就发明了“伏打电堆”。伏打电堆由很多个单元堆叠而成，每个单元都有一块铜板和一块锌板，中间由一块浸有盐水的布

3、隔开。时至今日，生活中常见的碱性电池、铅酸电池、锂电池等电池，都与古老的伏打电堆共享着同样的工作原理：通过氧化还原反应将自己储存的化学能转化为电能。描绘伏特（左）向拿破仑（右）展示伏打电堆的画作。图片来源：66south.com这一看似神奇的过程其实并不复杂。一块电池主要由正极、负极和电解液三部分组成。当电池与外电路联通时，负极一端就开始发生氧化反应，释放出电子；正极一端则发生还原反应，正好需要补充电子。由于电解液将两极隔开，只允许离子流动，不允许电子流动，于是电子通过外电路从负极流向正极，形成电流做功，化学能也藉

4、此转化成了电能。原电池示意图。阳极（Anode）与阴极（Cathode）与外电路连接，浸泡在电解液中，电池工作时，电流从阴极流向阳极。因此此处，阳极和负极是同一电极，阴极与正极是同一电极。图片来源：ArumugamManthiram,SmartBatteryMaterialsIn,CRCPress,2009,pp.8.但如果用一次性电池为随身听供电，那么一张专辑刚刷几遍，电池就该扔了。一次性电池的电化学反应是不可逆的，也就是说，化学能转化为电能的旅程只能一条路走到黑，电量用尽，电池也没用了。能不能来一种可以重复使用

5、的电池？这种“得寸进尺”的需求，最终促成了世界上最早的可充电电池——铅酸电池的诞生。它由法国物理学家加斯顿·普兰特（GastonPlanté）于1859年发明。可充电电池采用的是可逆的电化学反应，只要施加外电压，改变电子流动的方向（从正极流向负极），电池两极就会发生与放电时方向相反的化学反应，仿佛“返老还童”，最终重新充满电力。这项发明影响之深远令人不服不行——时至今日，人们在启动汽车引擎时使用的蓄电池依然是铅酸电池。铅酸电池的负极与正极分别采用海绵铅及二氧化铅，电解液使用稀硫酸。它可以提供很大的电流，价钱也不贵，

6、但就是体积太大了些。普兰特和他发明的铅酸电池。图片来源：bb-batteryasia.com铅酸电池做不到面面俱到？没关系，后面还有一堆科学家跃跃欲试呢。此后，研究者们又不断探索，发明出采用其他化学反应的充电电池，如镍镉电池、镍氢电池和锂电池。它们能量密度更大，体积更小，可以用于为各类小型电子设备提供电能。青出于蓝的锂离子电池之前说到，电池工作时，电子通过外电路从负极流向正极。与此同时，相同电荷量的正离子则在电池内部从负极向正极流动。早期的电池都使用诸如稀硫酸这样的以水为溶剂的电解液。在这种情况下，电池内肩负维持电

7、荷平衡任务的是氢离子。然而，使用水系电解液的电池，最多能达到的工作电压也不过2伏左右。如果我们想要获得更高的电压，输出更大功率，就要使用不含水的电解液，找到替代氢离子的正离子。查看元素周期表，最佳的候选者落在了锂离子身上：作为3号元素，锂的原子量只有6.9；它既轻又小，比其他大的离子更容易在电解液中移动，可谓不二之选。确定了锂离子，接下来的任务，就是找到可以与之发生可逆反应的电极材料了。到20世纪70年代，美国化学家斯坦利·惠廷厄姆（M.StanleyWhittingham）在埃克森（Exxon）工作时率先发明了锂

8、离子电池。经过多年优化，商业化的可充电锂离子电池在20世纪90年代初在日本推出。斯坦利·惠廷厄姆目前仍是下一代锂电池设计的重要研发者。图片来源：binghamton.edu锂离子电池的负极使用石墨，正极使用钴酸锂，电解液则使用含有锂盐（如六氟磷酸锂）的有机溶剂。放电时，嵌入在石墨负极中的锂被氧化进入电解液，跑到正极嵌入到氧化钴的晶格间隙中形成钴酸锂；充电时，