从伏打电池到锂离子电池——电化学储能技术的发展

从伏打电池到锂离子电池——电化学储能技术的发展

首页角色扮演琥珀效应游戏更新时间:2024-06-07

以锂离子电池为代表的电化学储能技术是我国新时期产业结构转型升级和实现“碳中和”目标的关键技术,蓄电池不仅为智能手机和笔记本电脑等便携式设备提供能源,还是特斯拉、比亚迪等新能源电动汽车的“心脏”。

01 人类对电的早期认知

最早将静电学作为一门独立学科的是英国物理学家格雷(Stephen Gray)。

杜菲的“双流体理论”是人们首次从理论上来解释电的性质。然而,这一理论提出后不久就受到了质疑和挑战:

关于“双流体理论”和“单流体理论”的争论持续了近百年。

02 伏打电池的诞生

随着18世纪电学研究的盛行,人们开始寻找保存电荷的方法。莱顿瓶是一种原始的电容器,被认为是最早的蓄电装置。

1786年,意大利解剖学家加尔瓦尼(Luigi Galvani)利用静电发生器和莱顿瓶研究青蛙肌肉对电的应激反应时,意外地发现手术刀碰触蛙腿上外露的神经时会导致蛙腿剧烈抖动,同时出现电火花。为了验证蛙腿本身是否带电,他将铜钩嵌入蛙腿神经,然后将其挂在铁架上,蛙腿在没有通电的情况下抽搐。

1791年,加尔瓦尼在《关于电产生肌肉运动的评论》的著作中提出,人或动物体内存在一种“神经电流体”,这种电流体在脑中产生,经过神经传导至肌肉,青蛙就像一个充了电的莱顿瓶,如果用导体从外部连接神经和肌肉会发生放电,导致肌肉抖动。加尔瓦尼关于动物电效应的论著发表后,意大利掀起了研究动物电的热潮。

1792年,意大利物理学家伏打(Alessandro Volta)重复了加尔瓦尼的实验。他发现,当挂钩和支架采用同种金属时,蛙腿没有抽搐,而用两种不同金属连接而成的金属线分别碰触青蛙的腿和背时,青蛙发生抽搐。为了解释这一现象,伏打提出“接触电”的假说,认为各种金属含有不同数量的电流体,当两种金属通过潮湿的导体形成回路时,电流体会从含量高的金属流向含量低的金属。

1793年,伏打开始采用验电器来测量不同材料之间的接触电动势,得到一组排序:锌、锡、铅、铁、黄铜、青铜、铂、金、水银、石墨,序列中排在前面的材料与后面任何一种材料接触时,其电位将高于后面材料的电位。例如,锌-银组合的电动势为0.78伏,锌为正电极,银为负电极。此外,伏打还发现了中间金属定理,即无论有多少种金属串联在一起,其总电动势与中间金属无关,仅取决于两端金属的性质。需要指出的是,中间金属定理对液体导体不成立。

1800年3月,伏打在写给英国皇家学会会长班克斯(Joseph Banks)的信中首次阐述了“电柱”(Column)和“皇冠杯”(Cupof Crown)两种电池的原理和构造。电柱是由锌板-湿盘-银板组成的单元沿着同一方向(如锌板在上,银板在下)叠加而成;皇冠杯是多个盛有盐水或碱液的木杯或陶土杯,由一端是锌、另一端是银的双金属链串联而成。

1800年4月,英国化学家尼科尔森(William Nicholson)和卡莱尔(Anthony Carlisle)根据伏打的说明制造了英国第一个电池,并很快用于水的电解实验。当时水被认为是一种元素,伏打电池的电解实验证实了水是氢和氧组成的化合物,在欧洲科学界引发轰动。到了1800年秋天,整个欧洲的科学家都开始建造和使用伏打电池。

伏打电池是第一款能够持续产生电流的装置,是现代电池的源头。

在科学领域,电池作为实验仪器首次在科学研究上得到大规模应用;

在工业领域,直到1870年比利时电气工程师格拉姆(Zénobe Gramme)的直流发电机问世前,全世界的电力工业都由与伏打电池相关的电池供电。

伏打电池发明后不久,蓄电池技术也很快诞生。

03 蓄电池技术的发展

蓄电池又称可充电电池或二次电池,是指通过可逆的电化学反应积累和储存能量,可以多次充电和放电的电池。根据电极材料和电解液的不同,蓄电池分为多种类型,如铅酸电池、镍镉电池、镍铁电池、镍氢电池、锂离子电池、钠离子电池、固态电池等。

铅酸电池

铅酸电池是最早发明的蓄电池。

镍基电池

镍基电池主要包括镍镉电池、镍铁电池和镍氢电池。

然而,由于镉是剧毒金属,20世纪90年代欧洲环保主义者呼吁重视镉的环境风险,各国开始限制镍镉电池的使用。2006年,欧盟规定除医疗用途外禁止销售镍镉电池。

镍铁电池

随着内燃机的发展,镍铁电池逐渐退出电动汽车市场,目前仅在光伏储能、铁路或矿车照明等领域小规模应用。2015年,荷兰代尔夫特理工大学的研究团队发现镍铁电池可以作为水电解器低成本地制取氢气,其在可再生能源领域的前景可期。

镍氢电池

镍氢电池是镍镉电池和氢燃料电池技术结合的产物。镍氢电池以镍为正极、氢氧化钾作为电解液,储氢合金代替镉作为负极材料,利用储氢合金释放的氢气发生化学反应提供能量。与镍镉电池相比,镍氢电池的能量密度高、记忆效应小、环境风险低。

锂离子电池

锂作为电池材料的研究开始于20世纪50年代,最初主要是锂原电池的研究。

锂离子电池的发展离不开材料科学的进步,首先突破的是正极材料。

早期的锂离子电池以金属锂作为负极材料,但金属锂在反复的充放电循环中容易生成树枝状的锂枝晶而导致电池短路引发爆炸。

新能源电动汽车占据了锂离子电池需求的80%,特斯拉、比亚迪等新能源汽车巨头正在竞相研发成本更低、寿命更长、能量密度更高、安全性更好的新型锂离子电池,而围绕着钠离子电池、固态电池等新一代电池技术的竞争也已经在全球范围内展开。

作者:王楠、王国强,中国科协创新战略研究院

本文转载自微信公众号张江评论,原载于《张江科技评论》2022年8月第4期总33期

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