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锂是制造便携电动设备或新能源汽车的关键材料,但开采这种材料的代价却十分高昂。20世纪70年代,锂离子电池首次被开发出来,因为专家们担心人类依赖石油会最终走向枯竭。科学家、公众甚至石油公司都极度渴望找到石油的替代品。然而,电池技术此前停滞不前已有将近100年。
第一个真正的电池是由意大利科学家亚历山德罗·伏特于1799年发明的,他注意到,当他用一把铁质手术刀解剖挂在黄铜钩上的青蛙的一条腿时,它往往会抽搐。伏特认为,电荷会通过一个潮湿的介质从两种不同的金属仪器间流过,而青蛙的肉体是电极之间的介质。
一块电池基本上由三部分组成:两个电极,即带负电荷的阳极和带正电荷的阴极,以及电极之间的电解质。伏特为了验证自己的理论,将锌片和铜片交叉堆叠,然后在每两片之间夹一块盐水浸泡过的布。这样便形成了第一个电池,看起来笨拙不堪。与大多数现代电池一样,它的工作原理是通过氧化还原反应来实现电流的存储和输送。
化学反应会增强阳极(在伏打电堆中,锌是阳极)中的电子,然后这些电子会想要跳到阴极(在伏打电堆中,铜是阴极)。但电解质会阻止电子跳到阴极,无论是盐水浸泡过的布还是死去的青蛙。然而,如果将电线连接电池的阳极和阴极,电路就会通路,使得阳极氧化(失去电子),这些电子就会流向阴极,从而在该过程中产生电流。
约翰·弗雷德里克·丹尼尔在伏特的电堆概念的基础上加以延伸,创造了一种铅酸电池,可以作为实际的电源。1836年,铅酸电池开始崛起,此外,还促成了电报的兴起。此后,电池创新发展缓慢,从伏特的铜锌电极发展到汽车使用的铅酸电极,然后发展到我们今天所使用的锂电池,经过了200余年。
由于电池非常简单,它的组成部件数量非常少,因此它既帮助了科学家们努力改进伏特创造的电堆,同时又阻碍了他们的创新。即使是在今天,这种即将从生产线上装配完成的电池也不会比伏特最初的电池构造复杂多少。例如,iPhone的电池中,用于阴极的是锂钴氧化物,用于阳极的是石墨,而电解质是由一种聚合物构成的。它连接的是一台微处理器,它能够监控电池的发热量和稳定性,并耗掉过多的电能以防止电池变得不稳定。