电池基础知识和电池技术历史概要

电池基础知识
电池将储存的化学能直接转化为电能。电池有三个主要组成部分：

(-) 阳极：被氧化，释放电子的负极

(+) 阴极：通过获取电子而被还原的正极

电解质：在电池的阴极和阳极之间提供离子传输机制的介质。它可以是液体或固体。

在最基本的层面上，电池非常简单。事实上，甚至可以用铜便士、镀锌钉（锌）和柠檬或土豆制成原始电池。

电池技术的演进
虽然制造一个简单的电池很容易，但挑战在于制造一个好的电池非常困难。平衡功率、重量、成本和其他因素涉及管理许多权衡，科学家们已经工作了数百年才达到今天的效率水平。

以下是电池多年来如何变化的简要历史：

伏打电堆(1799)
1799 年，意大利物理学家亚历山德罗·伏打创造了第一个可以为电路提供连续电流的电池。伏打电堆使用锌和铜作为电极，用盐水浸泡的纸作为电解质。

他的发明反驳了电只能由生物创造的普遍理论。

丹尼尔·赛尔(1836)
大约 40 年后，一位名叫约翰·弗雷德里克·丹尼尔 (John Frederic Daniell) 的英国化学家创造了一种新电池，可以解决伏打电堆的“氢气泡”问题。先前的问题是，气泡聚集在锌电极的底部，限制了电堆的使用寿命和使用。

1836年发明的丹尼尔电池使用了一个装满硫酸铜溶液的铜锅，再将其浸入一个装满硫酸和锌电极的陶制容器中。

丹尼尔电池的电势成为电压的基本单位，等于一伏。

铅酸(1859)
铅酸电池是第一个可充电电池，由法国物理学家加斯顿·普兰特于 1859 年发明。

铅酸电池在两个方面表现出色：成本非常低，并且还可以提供高浪涌电流。
即使采用当今的技术，这也使得它们适用于汽车启动电机，这也是 2014 年全球铅酸电池销售额达 447 亿美元的部分原因。

镍镉(1899)
1899 年，瑞典的 Waldemar Jungner 发明了镍镉电池。第一个是类似于铅酸电池的“湿电池”，使用液体电解质。

镍镉电池为现代技术铺平了道路，但由于镉的毒性，它们的使用越来越少。NiCd 电池在 1990 年代失去了 80% 的市场份额，被我们今天更熟悉的电池所取代。

碱性电池（1950 年代）
由金霸王和劲量等品牌推广，碱性电池用于从遥控器到手电筒的普通家用设备。它们价格便宜且通常不可充电，但可以通过使用专门设计的电池使其可充电。

现代碱性电池是由加拿大工程师 Lewis Urry 在 1950 年代发明的。在电极中使用锌和锰氧化物，这种电池类型的名称来源于所使用的碱性电解质：氢氧化钾。

全世界已经制造了超过 100 亿个碱性电池。

镍金属氢化物(1989)
与可充电 NiCd 电池类似，NiMH 配方使用吸氢合金代替有毒的镉。这使得它对环境更加安全——它还有助于提高能量密度。

镍氢电池用于电动工具、数码相机和其他一些电子设备。它们还用于早期的混合动力汽车，如丰田普锐斯。

NiMH 的开发跨越了 20 年，由戴姆勒-奔驰和大众汽车公司赞助。第一个商用电池是在 1989 年。

锂离子(1991)
索尼于 1991 年发布了第一款商用锂离子电池。

锂离子电池具有高能量密度，并具有许多针对不同应用的特定阴极配方。

例如，二氧化钴锂 (LiCoO2) 阴极用于笔记本电脑和智能手机，而锂镍钴铝氧化物 (LiNiCoAlO2) 阴极，也称为 NCA，用于特斯拉 Model S 等车辆的电池。

石墨是一种常用的阳极材料，电解质通常是一种悬浮在有机溶剂中的锂盐。

可充电电池谱
有几个因素可能会影响电池的选择，包括成本。

然而，这里有两个最重要的因素决定了充电电池的适合性和使用性：

将比能想象为水箱中的水量。它是一个电池所拥有的总能量。

同时，比功率是水从水箱中倒出的速度。它是电池可以为给定用途提供的电流量。

虽然今天锂离子电池是小工具和电动汽车的主力，但哪些电池对我们的未来至关重要？那个市场有多大？