一根鐵條插在銅制圓筒里來儲存靜電了，如圖1。當然，相不相信這個傳說是一件仁者見仁智者見智的事情。然而這個看似荒誕的發現卻給電池家族披上了一層朦朧的神秘外衣，吸引著一代又一代的科學家們從此生命不止探索不止。

電池的發明與發展

亞里士多德知道磁石是一種具有強大磁力能吸引鐵和金屬的礦石。萊頓大學的馬森布羅克在1746年發明了收集電荷的"萊頓瓶"，如圖2。他得出結論:把帶電體放在玻璃瓶內可以把電保存下來。當時搞不清楚保存電的是瓶子還是瓶子里的水，后來人們就把這個蓄電的瓶子稱作"萊頓瓶"，這個實驗稱為"萊頓瓶實驗"。1780年，意大利解剖學家伽伐尼解剖青蛙時，發現青蛙腿部的肌肉有立刻抽搐現象，他稱之為"生物電"。而意大利物理學家伏特認為青蛙的肌肉之所以能產生電流，大概是肌肉中某種液體在起作用。伏特將一片鋅和一片銀(例如硬幣)放在一起，然后用舌頭輕輕舔了舔。與兩種金屬接觸的瞬間，他感覺舌尖微微有些刺痛。為了獲得更強的效果，伏特想出了個聰明的主意：他制造了許多個這樣的“金屬三明治”，然后把它們疊到了一起。

金屬三明治

不過，鋅—銀—鋅—銀的組合無法達到理想的效果，因為每組金屬產生的電很快就會被下一組反向疊放的金屬抵消，所以伏特需要用能夠導電的非金屬介質把這些金屬片兩兩隔開，換句話說，他需要的是某種非金屬導體。伏特選擇了泡過鹽水的紙板。所以，“三明治”的結構變成了鋅—銀—紙板—鋅—銀—紙板—鋅，如此排列下去。他稱之為“伏特堆”，又叫“電池”。于是，伏特成功制成了世界上第一個電池--"伏特電堆"串聯電池組，并成為電報機的電力來源。

1836年，英國的丹尼爾對"伏特電堆"進行了改良，制造出第一個不發生極化且能保持平衡電流的鋅/銅電池，又稱"丹尼爾電池"，如圖3。1860年，法國的普朗泰發明出用鉛做電極的蓄電池。1868年，法國的雷克蘭士發明了世界廣受使用的電池(碳鋅電池)的前身，如圖4。1887年，英國人赫勒森發明了最早的干電池。干電池的電解液為糊狀不會溢漏，便于攜帶，因此獲得了廣泛應用。

▲(左)有數千年歷史的用于存儲靜電的粘土瓶(于1932年在伊拉克的巴格達附近被發現);(右)蓄電的瓶子--"萊頓瓶"。

▲(左)丹尼爾電池;(中)雷克蘭士發明的鉛酸電池;(右)赫勒森發明的最早的干電池。

隨后，1890年ThomasEdison發明可充電的鐵鎳電池;1899年WaldmarJungner發明鎘鎳電池;1910年可充電的鐵鎳電池商業化生產;1914年ThomasEdison發明堿性電池;1947年Neumann開發出密封鎘鎳電池;1976年，PhilipsResearch的科學家發明鎳氫電池。通過科學家們不懈探索，我國于2000年實現鋰離子電池商業化生產。

舉足輕重的二次電池

我們通常用的1號、5號、7號電池其實就是干電池--碳鋅電池，用于手電筒、電視遙控器等裝置，成本低、小巧而易于攜帶但不能充電，通俗地說就是一次電池。

隨著一次電池的發展，逐漸又衍生出了二次電池，二次電池還被稱為"新能源電池"，它不僅可以儲存電能，而且還可以反復充電反復使用直至"壽終正寢"。

二次電池可以說是電池這個龐大家族中舉足輕重的一員，它衍生出了許多"子子孫孫"，可謂"數世同堂"。無論天上飛的、陸上跑的、水里游的，大到飛機、輪船，小到手機、筆記本電腦，隨時隨地都可看到它默默工作無怨無悔的身影。二次電池的應用主要分為兩類:一是作為能量貯存裝置，主電源器對其進行充電，當主電源器失效或無法滿足能耗時，則由二次電池按要求供電;二是像原電池一樣放電，使用后在設備中或獨立進行充電。

二次電池主要用于純電動汽車(EV)、混合動力電動汽車(HEV)、插電式混合動力電動汽車(PHEV)。其中HEV由汽油發動機作為動力來源，更強調加速性能和爬坡能力，因此就更注重電池的比功率;PHEV和EV則完全以電池作為動力，更強調充電后的續駛能力，因而更關注電池的比能量。

目前，國內外很多新能源汽車，例如日產Leaf、豐田普銳斯plug-in、特斯拉Model-S、通用Volt、福特FocusEV以及寶馬i3都采用鋰離子電池作為動力源。鋰離子電池具有價格低、能量密度高、循環壽命長、安全性能高、自放電率低、可循環使用等多種優點，因此在通訊等便攜式電子產品中占有主導地位。

那么鋰離子電池是怎樣實現能量循環利用呢?原來啊，鋰離子電池由正極、負極、隔膜和電解液構成，其正、負極材料均能夠嵌脫鋰離子。鋰離子電池實際上是一個Li+濃差電池。在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌。它采用一種類似搖椅式的工作原理，充放電過程中Li+在正負極間來回穿梭，從一邊"搖"到另一邊，往復循環從而實現電池的充放電過程。

當前鋰離子電池的性能瓶頸因素主要集中在鋰離子電池正極材料，所以正極材料研究是目前電化學領域研究的重點之一。

▲新能源汽車電池性能比較

二次電池界的新星

雖然鋰離子電池在通訊等便攜式電子產品中占主導地位，不過作為二次電池界的新星，鋰硫電池也有不可忽視的潛力地位。

鋰硫電池具有能量密度高、硫資源豐富、成本低、耐過充性能好等優點，在未來的二次電源發展中最具有應用優勢單質硫的放電理論比容量可高達1673mAh/g，遠高于現階段市場上商業化的二次電池，它的工作電壓在2.1V左右。能滿足多種場合的應用需求，是目前正在開發的二次電池體系中最有希望實現能量密度大于500Wh/Kg的二次電池體系。

鋰硫電池具有能量密度高、硫資源豐富、成本低、耐過充性能好等優點，在未來的二次電源發展中最具有應用優勢單質硫的放電理論比容量可高達1673mAh/g，遠高于現階段市場上商業化的二次電池，它的工作電壓在2.1V左右。能滿足多種場合的應用需求，是目前正在開發的二次電池體系中最有希望實現能量密度大于500Wh/Kg的二次電池體系。

針對鋰硫電池中活性物質硫單質電子、離子電導率低、充放電過程中多硫化物溶出、體積變化大等棘手問題，科研工作者不斷對正極材料結構、負極、電解液、隔膜進行改進，旨在抑制多硫化物穿梭效應，提高活性物質利用率，克服充放電過程中的巨大體積變化，提高電池安全性及循環壽命。

除此之外，還要盡量抑制飛梭效應。鋰硫二次電池的飛梭效應是指在鋰硫二次電池的充放電過程中，生成的高聚硫化物溶解在電解液中并擴散到鋰負極，直接與金屬鋰發生副反應，生成低聚硫化物。這些低價態聚硫離子擴散到硫正極，再次生成高價態聚硫離子。由于飛梭效應對充放電效率、放電容量和自放電自放熱、過充保護都有影響，所以要盡量抑制。

在我國，國務院發布的《節能與新能源汽車產業發展規劃(2012-2020)》，《中國制造2025》還有"十三五"新能源汽車重點專項(2016-2020)分別指出到2020年為技術提升階段，將能量型鋰離子電池單體比能量提升至300Wh/Kg，成本降至1.5元/Wh以下;到2025年為產業發展階段，單體電池能量密度達到400Wh/Kg，動力電池產業發展與國際先進水平接軌，擁有2-3家具有較強國際競爭力的大型動力電池公司;到2030年為產業成熟階段，新體系電池的能量密度達500Wh/Kg以上，動力電池及技術和產業發展進入國際領先行列。實現這些目標，目前來看短期目標有望通過進一步改進三元材料，發展高鎳/高壓三元材料得以實現。而有望實現長期目標的材料則為鋰硫電池，因而目前，有關鋰硫電池的研究逐步增多，鋰硫二次電池正逐步成為二次電池界的新星。

神奇的燃料電池

燃料電池是一種能量轉換裝置，它是由英國保險統計員威廉.格羅夫(WillionGrove)于1839年發明的。燃料電池主要是通過氫氣和氧氣發生化學反應而發電的。1889年蒙德(Mond)和蘭結(Langer)報導了他們對格羅夫工作的發展，即用空氣代替了氧，用煤氣代替了氫。雅克思(Jacques)設計制造了一個龐大的磚結構燃料電池，以碳棒作陽極，空氣電池為陰極，熔融氫氧化鈉為電解質，輸出電壓約1V，電流密度約100毫安/平方厘米，此電池連續工作了半年之久。鮑爾(Baure)用碳酸鹽作為電解質，碳作陽極，四氧化三鐵為陰極，使用權溫度升高到1000度左右。但由于高溫下電池材料的腐蝕十分嚴重，因而未能商業化。燃料電池現代紀元的開始是與弗朗西斯(Francis)、培根(Bacon)、愛德華(Edward)、丘思迪(Justi)等人的貢獻分不開的。培根于1932年開始進行燃料電池的研究工作，他強調不使用貴金屬，相信高溫(200度)和高壓(約4KPa)能夠減少極化，百對于電催化卻一無所知。但培根成功的關鍵在于他無意中使用了電催化技術。1958年8月培根演示了一個5千瓦功率的電池系統，它能夠用為一部2噸鏟車的動力。此后，燃料電池才有了它的第一個實際應用，即在宇宙飛船中作為輔助動力源，如照明、通信、取暖等。

不同于一次電池和二次電池，燃料電池就像一個發電機，一邊不斷加入燃料，一邊就能不停地發電，可以不斷把燃料中的化學能通過電化學反應直接轉換為電能的發電裝置。燃料電池一般包括質子交換膜燃料電池、磷酸燃料電池、堿性燃料電池、固體氧化物燃料電池及熔融碳酸鹽燃料電池等。

一次電池的活性物質利用完畢就不能再放電，二次電池在充電時也不能輸出電能。而燃料電池只要不斷地供給燃料，就像往爐膛里添加煤和油一樣，能連續地輸出電能。一次或二次電池與環境只有能量交換而沒有物質的交換，是一個封閉的電化學系統;而燃料電池卻是一個敞開的電化學系統，與環境既有能量的交換，又有物質的交換。

由于燃料電池能將燃料的化學能直接轉化為電能，因此，它沒有像火力發電機那樣通過鍋爐、汽輪機、發電機的能量形態變化，可以避免中間的轉換的損失，達到很高的發電效率。

燃料電池從發明至今已經經歷了100多年的歷程。近20年以來，燃料電池這種高效、潔凈的能量轉化裝置得到了各國政府、開發商及研究機構的普遍重視。燃料電池在交通運輸、便攜式電源、分散電站、特種/天及水下潛器等民用與特種領域展現出廣闊的應用前景。目前，燃料電池汽車、電站及便攜式電源等均處于示范階段，在商業化道路上還需要解決成本、壽命等一些瓶頸問題。未來我國應大力推進燃料電池在水下潛器、航天飛行器等特殊領域的應用，同時，在民用領域要實現燃料電池壽命與成本兼顧。