最近，我在研究固态电池，想找一些基础性的知识，但是都不太容易懂，我就找了很多资料，自己写了一个，希望对大家研究电池有帮助。

1.伏打电池

电池出现的源头有点意思，我们来看看。意大利的生物学家伽伐尼的妻子因健康原因要经常吃蛙腿。1780年的一天，伽伐尼把青蛙剥皮后，放在靠近起电机旁的桌子上。当他妻子偶然拿起电机旁的外科手术刀时，刀尖触及到了蛙腿外露的小腿神经，蛙腿抽动起来，好像活的一样。

后者利用锌线和铜线连接青蛙腿发现了青蛙腿会抽动，因而提出了“生物电”的概念。

他们的好朋友伏打说，你放屁！这是金属带来的电流。

学霸就是学霸，为了验证这个现象，做了很多实验，然后制造出了著名的伏打电堆，这个由锌片和铜片组合而成中间夹着盐水浸湿的硬纸板，被认为是现代电池的雏形。

我们可以看到，基本上现在的电池也没有脱离这个雏形，阴级(锌)、阳级(铜)、隔膜(绝缘的纸板)和电解质(盐水)。后来经过改进以后，用了硫酸。

伏打电池的化学反应式如下：

锌：Zn→Zn+ 2e

硫酸：2H+ 2e→H

基本的原理，当锌和铜连接的时候，活性相对较高的锌分离出2个电子和锌离子，由于不同金属之间存在电势差，电子通过外部电路就跑到铜那边去了，硫酸中的氢离子从铜获得2个电子，形成氢气。

那我们要问了，能量是守恒的，电的能量来自哪里呢？就是这个化学反应所产生的能量。

但是，这个方法并不安全，因为硫酸是高腐蚀性的，裸露在外面并不安全。而且，氢气附着在铜电极表面不会被释放，形成了金属和电解质溶液之间的屏障，硫酸中的氢离子捕获铜级电子的能力下降，电池效率会越来越低。

2.丹尼尔电池

1836年，英国科学家丹尼尔为了解决电池产生气泡的问题，发明了丹尼尔电池。他把电池改为硫酸铜和硫酸锌溶液，解决了气泡的问题。

当两个金属连接时，阴级锌还是通过氧化反应分离为锌离子和2个电子，由于电势差通过电线跑到铜这边，如果中间接了个电灯，电灯就亮了。

溶液中的铜离子捕捉到了铜这边就跑来的电子，被还原成铜原子，这就完成了一个循环，但是铜级会变重。

相比较伏打电池，丹尼尔电池有2个主要的变化：

第一，采用滚筒形铜片和锌片，增加了接触面积，电力大增。

第二，采用了两种不同的电解液，没有氢气产生，不存在产生气泡钝化铜级的问题，持续性增强。

至此，我们就可以梳理一下影响电池性能的一些主要因素。

第一，电极的活性和电势差

第二，电极的接触面积

第三，隔膜质量的好坏

第四，电子的传输

3.铅酸蓄电池

丹尼尔电池都是装在溶液里面的，来回运很不安全，也不方便。

1859年法国物理学家普朗特（Raymond Gaston Plante）在两个铅箔中间加入布条，并浸入硫酸溶液，发明出了历史上第一个铅酸电池。

铅酸电池原理差不多，放电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅。铅的活性远比锌要强，离子颗粒小，所以在硫酸溶液中，跑的速度更快，氧化还原反应速度也快。

负极反应：

Pb+HSO4

=PbSO4+H++2e；

放电的时候，负极铅与稀硫酸反应，放出2个电子，并形成硫酸铅和1个氢。

正极的二氧化铅得到2个电子，和稀硫酸反应，得到了硫酸铅和3个氢，还有水。

正极反应：

PbO2+2e+HSO4

=+3H+PbSO4+2H2O；

总反应：

PbO2+2H+2HSO4+Pb

=Pb2SO4+2H2O

放完电以后，正负电极都是硫酸铅，而硫酸铅结构疏松，并且其晶体非常细小，电化学活性很高，这种活性很高的硫酸铅在充电时可以在电流作用下重新生成正极的二氧化铅和负极的海绵状铅，这就意味着可以充电了。

铅酸电池相比较丹尼尔电池有了4个比较大的进步：

第一，是可充电，这就意味着可循环利用了。

第二，封闭，不管是半封闭还是完全封闭，铅酸电池运输和使用安全性大大增强。

第三，由于使用了活性更强的金属，电池的电力容量更大。

第四，我们还记得伏打电池里面边有氢气会覆盖电极，但是铅酸电池可以排出，不受影响，不会影响功率。

这4个进步解决了，量大、安全、易于运输等痛点，使得电池的应用场景一下子被打开了，电池的应用就开始真正落地了。而且，直到现在，仍然有大量的铅酸电池，特别是电动摩托。

但是铅酸电池也有缺点，第一个是能量密度还是不够，第二个是体积比较大，第三个是有污染，第四个是寿命不够。第五个，由于反应会产生氢气和氧气，所以要加水。

4.干电池

铅酸电池，在很长时间都比较鸡肋，因为技术当时还不够成熟，而且当时发电成本比现在高多了，后来发电厂需要调节洪峰，开始用。

1910年起，铅酸蓄电池生产受到两项大的推动力，一是汽车蓄电池开始做启动，照明，点火之用；二是电话业采用铅酸蓄电池作为备用电源，要求其安全，可靠，并能多年使用的蓄电池。从此以后铅酸蓄电池用于汽车，摩托车，铁道，矿山，通信等各领域。

这时候，还需要一些体积比较小的电池，来满足市场需求。

1860年，法国的雷克兰士(George Leclanche)发明了碳锌电池，这种电池更容易制造，但这时候还不是纯粹的干电池，因为电解质还是液态的。

碳锌电池中间的碳芯是阳级，外壳由锌构成。既可以作为电池的容器，又可以作为电池的负极。电解液则是胶状的氯化铵。

其实，原理和其他的差不多，无非就是改变了电极和电解液，但是好处在于碳很便宜，而且导电性很好，碳锌的这种结构非常有利于电池的小型化，推动了电池的商业化进程。

1887年，英国人赫勒森发明了最早的干电池。干电池的电解液为糊状，不会溢漏，便于携带，因此获得了广泛应用。改进后的电池，也叫锌锰电池。

现在大多数的干电池中间是正极碳棒，外包石墨和二氧化锰的混合物，再外是一层纤维网。网上涂有很厚的电解质糊，其构成是氯化氨溶液和淀粉，阴级是锌外壳。

干电池具有结构简单，携带方便，性能稳定等特点，特别好，用了到现在，比如以前电视机遥控器等等。但，干电池的缺点就是电量比较小。

5.锂电池

自从电池发明以来，电池的能量密度一直是一个问题。这就导致，设备的移动化受到了限制。

因为凡是耗能比较多的，都得连上电线，而锂电池的出现，意义十分重大，解决了复杂电子设备的离线供电问题，使得电子设备出现了移动化的趋势。

锂电池的起源可以追溯到20世纪60年代，当时英国的约翰·古德诺夫教授偶然发现了一种新的正极材料——钴酸锂。钴酸锂正极具有高能量密度和较长的寿命，成为锂电池中最常用的正极材料。

随后，法国的拉谢德教授和美国的惠特克教授分别提出了锂离子电池的负极材料——石墨和钛酸锂，锂电池的三元组合正负极材料体系逐渐形成。

最早的锂电池是被用于军方，因为卫星需要高密度电池，但问题不少。

锂电池的进一步发展得益于石油危机，因为油价太贵，人们就考虑用电来替代原油。

1991年，Sony公司推出了第一款商业锂离子电池（阳极为石墨，阴极为锂化合物，电极液为锂盐溶于有机溶剂）。锂离子电池最终实现了商业化，被广泛应用于笔记本电脑、移动电话等便携式电子产品中。

但是，真正推动锂电池发展的还是信息革命，因为诸如电脑、电话这类移动电子设备对能量密度的要求很高。

但是在很长一段时间，锂电池还是一次电源，比如我们经常在手表、车钥匙、计算器里面看到的那种。

因为充电时外电路给负极提供了很多电子，锂离子在负极获得电子而析出，问题就出在金属锂析出的过程发生了枝晶偏析，即形成了树枝状的晶体(铅酸电池中就是围绕着电极)，等树枝长的足够大便从正极连到了负极，发生了短路，锂电池便要发生爆炸。

我们都知道，电池要有隔膜，不然就会短路，前面我们在提到铅酸电池的时候，充电的时候，铅离子在负极还原成铅，覆盖在原来的电极，但是锂会乱跑，导致短路。

2002年，日本科学家吉野彰在针对锂离子电池负极材料的研究中，提出了采用石墨材料的碳负极，取代原先的金属锂负极，这一技术被称为“锂离子电池的革命性突破”。避免了充电过程中锂的枝晶偏析问题，成功解决了二次电池的安全性问题。没有了锂金属，锂电池真正变成了锂离子电池。

后来就是在这个基础上进行一些修修补补了，目前据说锂离子电池的能量密度已经达到了极限，未来的路在哪呢？

现在的固态电池是一个非常热的方向，不仅仅是能量密度高，最重要的是安全。

全固态电池的电解质全部为固体，不需要考虑锂与液态电解质发生反应的可能性，不需要隔膜了，负极可以直接使用金属锂作为材料，能够减轻电池质量、缩小体积，因此能量密度更高。

但是，固态电解质与电极材料之间的有效接触较弱，离子电导率低，界面阻抗大，会对电池性能造成负面影响。此外，全固态电池的成本居高不下，在性价比方面无法与半固态电池相比。

不过，盘了这么久，我们应该知道，最根本的东西，还是要在正负极材料上下功夫。至于固态电池，能不能成功？我们下期再聊！