魂牵汽车创新，电池逐梦二百年
2024-09-29 00:00:00苏更林
百科知识 2024年17期
今天，随处可见的电池着实没有太大的诱人之处，然而，回顾汽车文明演进的曲折历程，我们不难发现，小小的电池在其中扮演了极其重要的“角色”。电池技术的进步，对于汽车发展的影响有目共睹，并将深刻影响着未来汽车文明的走向。
电池发明，“电动”梦起
电力文明的诞生极大地改变了人类文明的进程，因此成为人类历史上的一个重要里程碑，包括汽车在内的交通运输业，自然也是电力文明最为重要的受惠领域之一。
在19世纪二三十年代，在世界范围内，马车仍然是人们主要的交通工具。以畜力为动力的交通时代，就是当时生产力发展水平的典型例证。人们何尝不想寻求改变呢，只是没有更好的替代方案罢了。事实上，伏打电池的诞生，不仅促进了电学自身的进展，而且也唤醒了人类的“电动梦”。
其实，自然界的生命世界中普遍存在着生物电的现象。比如，心脏的跳动、肌肉的收缩、眼睛的开闭、大脑的思维等活动，都会伴随有生物电流的产生和变化。但是很少有人对其进行认真的研究，并探索出其中的更多秘密。伏打电池就是在生物电的启发下被发明出来的，并对人类文明的发展起到了积极的作用。
1780年，意大利科学家伽伐尼在一次解剖青蛙时获得了一个意外发现，那就是生物电的存在。当时，他把一只已解剖好的青蛙放在一个潮湿的铁案上，当解剖刀无意中触及蛙腿上外露的神经时，解剖好的青蛙腿居然猛烈地抽搐了一下……伽伐尼感到十分新奇，并立即重复了这个实验，结果这种现象得到了重复。
伽伐尼选择多种不同的金属（铜、铁、铜、银等）材料连接在一起，把另两端分别与死蛙的肌肉和神经相接触，结果青蛙就会不停地屈伸抽动。如果用玻璃、橡胶、松香、干木头等物体来代替上述实验中的金属材料，就不会发生上述现象。因此他认为这是一种生物电现象，并发表了相关的研究论文。
1791年，意大利物理学家伏打对伽伐尼的发现很感兴趣，因此进行了一系列的验证实验，甚至还在自己身上做了实验。他认为伽伐尼发现的生物电在本质上是一种物理电现象，蛙腿本身是不放电的，只是外来电使蛙腿神经兴奋而发生痉挛罢了。
伏打在伽伐尼实险的基础上，致力于研究两种不同金属接触时的电行为。他发现，当把某种金属浸入某些液体之中时，往往也会发生同样的电流效应。这个发现使伏打感到异常兴奋，并为之进行了不懈的努力。
1800年3月20日，伏打宣布了一个重要的科学发现，这就是著名的“伏打电池”。他用银片和锌片两种不同的金属做电极，用盐水或其他导电溶液作为电解液，从而构成了电流回路。在伏打之前，人们只能应用摩擦发电机来发电，并将电荷存放在莱顿瓶中。这种发电的方法十分麻烦，得到的电量也受到很大限制。伏打电池克服了这些缺点，使得电荷的获取变得非常方便。
那么，伏打电池都能干些什么呢？这在当时无疑是一个亟待探索的课题。德国人利用伏打电池进行了电解水研究；英国人利用伏打电池进行了电解氯化钾、氯化钠的研究；英国化学家戴维利用伏打电池进行了放电实验；丹麦人奥斯特利用伏打电池进行了磁针偏转实验。
于是有人就想到，伏打电池既然可以作为电磁学和化学研究的有力工具，那么它能否取代畜力来驱动交通工具呢？这也许就是电动汽车概念的萌芽。
电池升级，“电动”追梦
尽管伏打电池是一种比较原始的电池装置，但它却是人类历史上第一个人为产生稳定、持续电流的装置。因此，这一发明足以让全世界为之兴奋。当时的法国皇帝拿破仑一向对学者很尊重，1800年11月20日，他在巴黎召见了伏打。为了表彰伏打对人类的巨大贡献，科学界用他的姓氏来命名电压的单位，我们现在所使用的“伏特”（简称“伏”）就是这样得来的。
伏打电池是由很多银锌电池连接而成的电池组，在应用时可以通过增减其连接的电池单元数来调节电压。伏打电池的发明为研究电流现象提供了物质基础，同时也为电流效应的应用开启了一扇大门。
大约在1802年，苏格兰化学家克鲁克香克研究了伏打电池，并利用其进行了许多涉及电解的实验。他对伏打电池进行了改进，从而发明了槽式电池。这种电池是将方形铜片和锌片排列成一个长方形放入装满电解质溶液的木箱中制造而成。槽式电池的优点是电解质不易损失，并且可以储存更多的能量。
克鲁克香克发明的槽式电池被认为是第一种可以大规模生产的电池。电池的进步加快了其应用的步伐，并在许多方面发挥了作用。电池有了，能否引发一场动力革命呢？许多国家的发明家敏锐地意识到了电池的巨大潜力，并投身于“电动梦”的实践活动之中。
匈牙利工程师耶德利克被认为是世界上第一个研究电动车的科学家。耶德利克于1828年开发出了早期的电动机。他设想的电动模型车是以电力作为动力进行驱动的，并在实验室里完成了电传装置实验。
1831年，法拉第的电磁感应现象的发现，为打开电力大门提供了理论基础。
1834年，一个名叫达文波特的美国铁匠制造了一个电动汽车模型，据称可以在小型圆形电气轨道上运行。他发明的电动机由电池供电，当电流施加到固定磁铁并通过换向器开关连接到车轮磁铁时，车轮旋转并驱动汽车前进。有人认为，达文波特发明的电动机是第一台有望取得商业成功的电动机，但由于没有可以充电的电源而卖不出去。将一次性电池用作动力电池不具备任何优势，除了续航里程短之外，成本居高不下也是一个原因。
二次电池，“电动”梦圆
1859年，法国发明家普兰特研发了世界上第一块铅酸蓄电池。早期的模型是两片被亚麻织物隔开的纯铅，浸渍在装有硫酸溶液的玻璃瓶中。这是世界上第一种实用型的可充电电池，有望解决电动汽车推广中的瓶颈问题。
铅酸蓄电池是一种能实现电能和化学能互换的技术装置，在许多领域都获得了普遍的应用。铅酸蓄电池由4个主要部分组成，即电极板（阳极板与阴极板）、电解液、隔离板和电槽。铅酸蓄电池中最为重要的材料就是电极板，构成电极板的原料主要为铅粉。铅酸蓄电池中的电解液为硫酸，是参与电动反应的活性物质，除了导电之外，也参与电极的反应，经放电而消耗，充电即可生成。隔离板是放置于两极之间的板材，除了作为隔离电极的装置外，还可以防止正、负极间的短路。
此后，法国科学家卡米尔·福尔对普兰特原始电池进行了改进，极大地提高了普兰特电池的商业价值。1881年，卡米尔·福尔为改进版本申请了专利。该改进版本为电池创造了一个更好的结构，通过压制氧化铅形成板，并制造了一个铅网格子，还在铅板上涂上了氧化铅、硫酸和水的糊状物。这种创新设计允许将多块板组合在一起以获得更大的功率，同时由于增强了其化学活性而使得能量密度较原始版本提高了不少。
事实上，卡米尔·福尔推出的优雅版本后来一直为电动汽车提供动力。铅酸蓄电池结构日趋成熟，被应用于驱动电动三轮车。英国天才发明家托马斯·帕克发明颇多，被誉为“欧洲的爱迪生”。他于1884年发明的电动汽车实现了电动化，并且在车轮上装上了液压制动器。
1873年，英国人罗伯特·戴维森制作了一种实用的电动汽车，其电池为铁、锌、汞合金与硫酸进行反应的一次性电池。美国发明家爱迪生还发明了一种由镍、铁和碱溶液制成的新型蓄电池，曾一度成为电动汽车的主要能源。
经过近一个世纪的探索，电动汽车的拥有量激增。由于铅酸蓄电池的价格低廉、性能可靠，因此在电动汽车领域获得了广泛的应用。到了20世纪初，早期版本的电动汽车迎来了短暂的辉煌。同期，在美国注册的汽车中，有40%为蒸汽动力汽车，38%为电池动力汽车，只有22%为汽油燃料汽车。
油车逆袭，“电动”梦灭
说起汽油车的逆袭，这里有许多方面的原因，但铅酸蓄电池的进步无疑也发挥了重要的作用。你可能不解，为何铅酸蓄电池的进步没有让电动车更加辉煌，反倒助推汽油车的成功逆袭呢？
先来说说汽油车逆袭的社会经济方面的原因。首先是石油资源的大规模开采，使得内燃机燃料价格大幅下跌。其次是道路网络的改善，使得汽油车可以以更快的速度行驶更远的距离。相较而言，由于电动车存在成本较高以及“里程焦虑”的缺陷，自然在竞争中失去了优势。
1912年，福特T型车的下线，对电动汽车也是一个沉重的打击。T型车是美国汽车制造商福特推出的一款新车型，代表了汽车工业史上的一个重要时刻。由于生产环节引入了装配流水线，使得大规模生产变得轻而易举，只需要33分钟的时间就能造出一辆汽车，因此当时T型车的成本大幅下降，远远低于当时电动汽车的成本。低廉的价格让T型车成为了普通百姓的交通工具，而电动汽车的销量却急转直下。
为什么说铅酸蓄电池助推了汽油车的逆袭呢？原来，铅酸蓄电池催生的电起动器，成为了终结汽油车手摇时代的一个重要原因。尽管铅酸蓄电池在汽油车上并不提供前进的动力，但是它以独特的起动优势为汽油车提供了必不可少的辅助服务。
在当今时代，现代汽车已经达到了相当高的技术水平，并且日趋完备的人性化和智能化设计让消费者倍感舒适。就拿汽车的起动来说，除了钥匙起动之外，还有手机起动、卡片起动以及指纹传感器起动等智能化起动方式。可是，早期的汽车起动十分困难，甚至还有相当大的风险。据称，早期的汽车点火是依靠手摇曲柄提供的动力来起动燃烧过程的。这种手摇曲柄为一种带有手柄的金属杆，摇动曲柄转动发动机时对司机的体力和技巧要求很高。因此，手摇曲柄起动发动机是一项高难度的作业，稍有不慎就有可能造成严重的伤害。事实上，在这方面造成的人身事故并不鲜见。
由于手摇曲柄的机械式起动存在烦琐、低效以及安全方面的缺陷，因此很多发明家想尽办法对其进行改进。1911年，美国发明家凯特林开发完成了第一个实用的汽车电起动系统。1912年，通用汽车把这个起动器搭载到了凯迪拉克汽车上，使其成为世界上最早的电起动汽车。
该发明彻底改变了汽车行业的面貌，告别了手摇曲柄起动发动机的历史，并为现代汽车中的电气系统（如照明、点火和配件等）奠定了基础。如果说凯特林发明的汽车电起动系统是手摇时代的终结者，那么铅酸蓄电池就是汽车电起动系统的动力源泉。因为没有铅酸蓄电池的发明，就不会有汽车电起动系统的诞生和应用。
汽车电起动系统是由铅酸蓄电池、起动机、点火开关、起动继电器等多个部件组成的。只要驾驶员按下按钮或转动钥匙，就能够起动发动机的燃烧过程。其起动工作原理，是通过起动机把铅酸蓄电池的电能转换成机械能，驱动齿轮产生机械运动而起动发动机运转的。起动机电路的通断是由一个电磁开关来控制的，发动机起动完成后即可自动脱开。
低碳诉求，“电动”梦回
在全球能源短缺和环境日益恶化的严峻挑战下，电动汽车的回归已成大势所趋。由于电动汽车在能源和环保两个方面都具有明显的优势，因此是汽车文明走向和谐之路的必然选择。被誉为电动汽车“心脏”和“神经”的电池仍然是人们关注的焦点，其发展水平和功能直接影响电动汽车的发展空间。
不过，现在的汽车电池早已不是昔日的模样和水平，电动汽车的标准也早已今非昔比。电动汽车承载了低碳环保的历史使命，代表了汽车文明的发展方向。
现代意义的电动汽车，一般是指全部或部分由电能驱动电机作为动力系统的汽车，它包括燃料电池电动汽车、纯电动汽车和混合动力电动汽车三大类型。无论哪种动力来源的电动汽车，都离不开高性能的动力电池来支撑。
所谓动力电池，简单来说就是取代燃油汽车“油箱”的动力装置，即为电动汽车提供动力的电池。动力电池应具备较高的能量密度和循环寿命，以提供长时间持续的高功率输出，满足电动汽车长距离行驶的要求。
仍在现代电动汽车中使用的铅酸蓄电池，其扮演的角色与早期有所不同。在早期的电动汽车中，铅酸蓄电池是以动力电池的身份发挥作用的；而在现代电动汽车中，铅酸蓄电池扮演的角色则是起动电池。所谓起动电池，是指用于电动汽车起动的电池，要求能够提供高峰值电流。由于铅酸蓄电池中的铅有毒，因此汽车无铅化的呼声日趋高涨。铅酸蓄电池能否被取代，则取决于替代方案的技术、经济可行性。据悉，比亚迪率先使用磷酸铁锂起动电池取代铅酸蓄电池，为推动中国汽车整车无铅化迈出了坚实的一步。
面向未来，“电动”致远
看来，发展电动汽车的瓶颈仍然是电池，只有研制出安全高效的动力电池，电动汽车才能一路走好。动力电池作为电动汽车能源的直接供给者，不仅决定了电动汽车的行驶里程，而且关系到电动汽车的节能、环保、安全以及消费者体验等方面的性能。
衡量动力电池的主要性能指标包括比能量、比功率和使用寿命。比能量指的是电池单位质量或单位体积所能输出的电能，它决定了汽车行驶的时间长短。比功率是评价电池是否满足电动汽车加速性能的重要指标，指的是电池单位质量或单位体积输出的功率。至于使用寿命，则是越长越好。
目前，锂离子电池仍然是动力电池的主力品种，包括三元锂电池和磷酸铁锂电池等。三元锂电池是一种集高能量密度和高电压为一体的储能装置，可应用于电动交通工具等领域。三元锂电池具有很好的抗低温性能，但热稳定性较差。磷酸铁锂电池是一种使用磷酸铁锂作为正极材料、碳作为负极材料的锂离子电池，单体额定电压为3.2伏，具有价格便宜、安全性好、热稳定性好、自燃风险小、循环寿命较长等优势，但磷酸铁锂电池的能量密度不如三元锂电池高。
目前，我国已建成了全球最大规模的动力电池产业体系，锂离子电池的正极、负极、电解液和隔膜四大原材料基本上摆脱了进口依赖，锂电设备国产化率已达到90%以上。
超级电容器是一种新型的高性能储能器件，不仅能满足动力电池安全稳定的快速充电要求，还实现了峰值功率输出（起动、爬坡、刹车等）需要的高功率输出。
从长远来看，氢燃料电池才是真正意义上的清洁能源。因为它基于电解水的逆反应，可以利用氢气和氧气的化学能直接转换成电能，产物只有水和热，是真正的“零排放”。
面对日趋激烈的国际市场竞争，我国不断加大资金和技术投入，不断提高动力电池的效能以及可靠性和安全性等，并研制钠电池、固态电池等一系列新型高效电池。
专家认为，未来的汽车并不是一个单独的体系，而是能源互联网体系中的个体单元。因此，未来的电池还要肩负存储和消纳太阳能和风能等可再生能源的职能。未来的电动汽车还要通过有序充电、车网互动等措施来平衡和缓解电网的压力。汽车电池产业的发展将在电动化、智能化、网联化的大潮中大有作为。
【责任编辑】蒲 晖
