电池在我们身边随处可见。它既可以为我们的手机、电脑等复杂的消费电子产品提供最基本的电能支持，也在高速飞驰的电动汽车，遨游太空的载人飞船等应用场景下发挥着不可或缺的作用。从伏打电池到如今的石墨烯电池，它走过了漫长的岁月。从传统化学能驱动到热能乃至核能的驱动，它有着多变的结构。相信屏幕前的你，已经对电池的存在无比熟悉。但是你知道电池是如何工作的吗？电池技术又有哪些种类和特点呢？电池技术在前沿的汽车，无人机等产品中又有哪些应用和前景呢？本文将从科普的角度，介绍电池技术的基本原理、发展历史、分类和特点、应用和未来发展方向等内容，带大家了解我们身边这个“最熟悉的陌生人”。

尽管在古巴格达的废墟里，考古学家就已经发现了一种疑似用于给银器镀金的类电池，但现代意义上的第一个电池由伏特发明。他堆叠了几对交替的银盘以及锌盘（作为电极），用浸有盐水（作为电解液）的布或纸板隔开，制造出了世界上的第一个电池。伏特发明的电池能提供大约2.5V的电压，这为早期的电学实验，乃至各种化合物的电解提供了电力来源。

在十九世纪，在第二次工业革命的推动下，电的力量逐渐为人类所利用，电池技术也得到了进一步的改进和创新。英国化学家丹尼尔发明了锌-铜原电池，解决了伏特电池容易产生氢气气泡的问题，使得电流更加稳定(值得一提的是，双液锌铜原电池是我国教科书里最为常见的电池)。法国物理学家普朗泰发明了铅酸电池，这是第一种可充电的电池，其以铅和铅氧化物作为电极，硫酸溶液作为电解质。这意味着我们不仅可以将化学能转化为电能，也能将电能转化为化学能。之后这类电池被广泛使用，车载蓄电池、早期电动车等都采用这类电池，截止2014年，全球约售出了4470万块铅酸电池。

接下来是法国科学家雷克兰士发明了c，这是第一种干电池，它使用碳棒和锌壳作为电极，氨基盐溶液作为固态或凝胶状的电解质。相较之下，其更加方便使用和携带，适用于低功率的设备，如手电筒、收音机等。后来又出现了碱性锌-锰干电池，它使用氢氧化钾作为碱性的电解质，提高了容量和稳定性。干电池的发明，成功地让电池走进了千家万户，史小型电子设备可以脱离插座，极大提高其便携性和实用性。

干电池的剖面图

随后就是电池家族的新贵锂离子电池。锂离子电池是由索尼公司于1991年推出的商业产品，但其背后有着三位诺贝尔化学奖得主的贡献。他们分别是威廷汉、古迪纳夫和吉野彰。威廷汉于1970年代发明了第一种锂电池，使用硫化钛锂作为阴极，金属锂作为阳极，但这种电池不稳定，容易发生短路和爆炸。古迪纳夫于1980年发现了钴酸锂作为更合适的阴极材料，提高了电压和能量密度。吉野彰于1985年使用石墨作为阳极材料，代替了金属锂，解决了安全性和可充电性的问题。

2019年诺贝尔化学奖颁发给三位锂电池领域的化学家

锂离子电池具有高能量密度、高电压、长寿命、低自放电、无记忆效应等优点，被广泛应用于手机、笔记本电脑、相机、电动汽车等领域。锂离子电池也在不断地改进和创新，出现了多种新的材料和结构，如锂离子聚合物电池、锂硫电池、锂空气电池等，以满足不同的需求和挑战。

一块典型的手机电池板

3 电池的基本原理

传统化学电池的基本原理是用“活性较高”的金属材料制作阳极（即负极-），而用较为稳定的材料制作阴极（即正极+），阳极材料由于库仑力的原因丢失电子（还原反应），流向阴极使其获得电子（氧化反应），而电池内部（电解液）则是阴极的阴离子流向阳极与阳离子结合，由此形成回路，产生电能。

其它类型还有热电池，核电池等等。热电池主要依赖的是热电效应，表现为一个热电装置的两端出现电压，只要能提供持续的温差，就能出现持续的电能。核电池分为两种，一种利用放射性元素衰变的热量，本质上是热电池；另一种则利用β衰变过程中放出的电子，直接形成电流。

锌铜原电池演示的电池原理图

4 智能电网中的电池

目前而言，在世界由化石能源转向可再生能源的过程中，一个不可回避的问题是电能的时空错配。风电、光电都面临时间的不确定性，如何将白天的光电给晚上用，将大风天气的风电给无风的时候用，这是一个世界性的难题。

而电池可以在两方面作用于电网，从而解决这个问题。一方面，电池作为一种储能设备，可以在电网高峰负荷时段向电网传输电能，而在电网非高峰负荷时段从电网充电，从而实现对电网的调峰削谷。另一方面，电池作为一种负荷，可以通过智能充电技术，根据电网的状态和价格进行优化充放电，从而实现对电网的响应和参与。

因此，新型储能技术的发展势在必行。只有更大容量，更快响应，更低成本的电能储存装置得到广泛应用，才能进一步推进能源改革，在走向绿色发展的道路上稳步前行。

一个大型储能电站

5 电动汽车中的电池

在电动汽车中，电池无疑是核心部件。从续航历程到充电时间，从整车成本到安全性能，都和动力电池有着极为密切的关系。

目前电动汽车主要使用的是锂离子电池，主要分为四种，分别为:

1. 磷酸铁锂（简称LFP），安全性能好，循环寿命长，原材料资源丰富，但其能量密度低，低温性能差。

2. 锰酸锂，资源丰富，成本相对较低，但其高温循环性能及电化学稳定性差。

3. 钴酸锂，是最早实现商业化的锂电池正极材料，但其缺点是比容量太低、安全性差，成本也较高。

4. 三元材料，分为镍钴锰(NCM，以蔚来为代表)和镍钴铝(NCA，以特斯拉为代表)两种，其中钴是三元锂必不可少的材料，因为钴本身是有毒性的，因此“少钴化”也是目前三元电池领域研究的一个课题。

从成本、安全、性能等综合因素考量，目前市面上的动力电池主要以较为成熟的磷酸铁锂及三元锂电池为主，但是其它更为前沿的电池依然有广泛的发展空间。

钴酸锂结构示意图，锂离子会嵌入钴酸锂晶体的内部

电池技术是一门涉及多个学科和领域的综合性科学，它不仅是人类文明进步的重要推动力，也是人类生活品质提升的重要保障。从伏特电池到锂离子电池，从干电池到核电池，电池技术的发展历程是一部人类智慧和创新的历史。在未来，随着新材料、新结构、新原理的不断涌现，电池技术将会有更多的突破和应用，为人类社会带来更多的便利和福祉。让我们一起期待电池技术的美好未来吧！