电化学类储能电池对比表（如虚如实说电化学）
电化学类储能电池对比表（如虚如实说电化学）不过，两极间的电势差会使电解液中的盐不断向电极集聚，当盐覆盖了整个电极，上述的氧化-还原反应无法持续，电池就没有电了。在电解液中，电子亲和度高的铝电极会发生氧化反应，带上负电荷。所以铝电极是负电极，又称为阴极（anode）。电子亲和度低的铜电极则会发生还原反应，带上正电荷，所以铜电极是正电极，又称为阳极（cathode）。这个差异导致两个电极之间产生电势差。这个电势差就是电压了。电池通过电压向外部的电路供电。图1，自制电池当年亚历山大罗·伏特（Alessandro Volta，1745－1827）就是用这样的方法做出了世界上第一个电池（参见「如虚如实说」| 伏特：电气文明从他开始）。伏特的电池第一次实现了稳定供电，是电学发展的重要里程碑。电池实际上是一个电化学装置。在上述的盐水电池中，两块金属片是电极，盐水是电解液。
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电池十分简单。
读者可以自己动手做一个（图1）：
在杯子里盛上浓盐水，杯子内的一侧放置一块铝片，另一侧放置一块铜片，电池就做好了。用导线把铝片和铜片连接到一个灯泡上，灯泡就会亮起来。
图1，自制电池
当年亚历山大罗·伏特（Alessandro Volta，1745－1827）就是用这样的方法做出了世界上第一个电池（参见「如虚如实说」| 伏特：电气文明从他开始）。伏特的电池第一次实现了稳定供电，是电学发展的重要里程碑。
电池实际上是一个电化学装置。在上述的盐水电池中，两块金属片是电极，盐水是电解液。
在电解液中，电子亲和度高的铝电极会发生氧化反应，带上负电荷。所以铝电极是负电极，又称为阴极（anode）。电子亲和度低的铜电极则会发生还原反应，带上正电荷，所以铜电极是正电极，又称为阳极（cathode）。这个差异导致两个电极之间产生电势差。这个电势差就是电压了。电池通过电压向外部的电路供电。
不过，两极间的电势差会使电解液中的盐不断向电极集聚，当盐覆盖了整个电极，上述的氧化-还原反应无法持续，电池就没有电了。
从伏特在1800年发明了伏特电池至今，电池的基本工作原理没有变，但是电池的技术一直在进步。
1830年，英国科学家约翰·丹尼尔（John F. Daniell，1790⎯1845）发明了丹尼尔电池（图2），他用锌与铜来做电极，用硫酸做电解液，螺旋形的结构使得电极的面积大大增加，因此电力充沛。这个设计一直用了100多年。丹尼尔是法拉第（Michael Faraday，1791⎯1861）的好朋友（参见「如虚如实说」| 那些被冠名为“电学单位”的名人们）。两人经常在一起讨论（图3）。
图2，丹尼尔电池（Daniell cell）
图3，丹尼尔（左）和法拉第（右）
1859年法国科学家加斯顿·普兰特（Gaston Plante，1834⎯1889）发明了充电电池（图4）。他用的电解液也是硫酸，但阴极用的是多孔的铅板，阳极用的是二氧化铅板。平时电解液中的氧化硫离子会不断集聚在电极上形成电压。但当外部电压高于电池电压时，氧化硫离子会从电极上剥离，因此电池就可以继续产生氧化-还原反应，这就是所谓的充电了。至今许多汽车还在用这种电池来启动引擎。
图4，普兰特电池
1866年，法国工程师乔治·雷克兰士（Georges Leclanche，1839⎯1882）发明了干电池。他用锌片做阴极，碳棒做阳极，电解液则是胶状的氯化铵。今天的电池基本上还是这个设计（图5），只是用的电解液和电极有所不同而已。
图5，干电池剖面图
在接下来的100年间，电池技术发展得较慢。这主要是因为价廉物美的石油使能源变得随手可得。电池只用作在短时间内储存少量能源，要求不高。
不过，科学家们深入研究，揭示了电池的电化学原理。法拉第首先提出了离子论。他注意到一个电极上的金属在电解液中被溶解，而另一个电极上的金属在电解液中有沉积，所以必定有物质在电的作用下发生了移动。他把这种物质叫做“离子（ion）”。这个词来自希腊语，意思是“走”。法拉第认为离子是在电的作用下产生的。
离子是什么？原子或分子都有相等数目的质子与电子数，这就叫做共价。例如氦原子有2个质子，因此有2个电子。氧化氢有9个质子，相应的有9个电子。
当原子或分子失去一个或多个电子时就变成了正离子（又称阳离子，cations），带正电荷。例如氦原子失去了2个电子就变成了氦离子（He²⁺）。
当原子或分子获得了1个或多个电子时就变成了负离子（又称阴离子，anion），带负电荷。例如氧化氢获得1个电子就变成了氧化氢离子（OHˉ）。
在电池中，电解液里的盐微粒手拉手建成一个个“盐桥（salt bridge）”，通过这些盐桥，离子得以在两个电极间传递电荷，因此产生了电压。
1884年，瑞典科学家斯万特·阿累尼乌斯（Svante August Arrhenius，1859⎯1927年）在他的博士论文中提出了不同的理论，他认为离子不需要电也可以存在。他的论文备受质疑，只获评了 “合格”。几年后，更多的实验证明了他的理论。1903年，他荣获诺贝尔奖。他晚年研究大气，首先发现了温室效应（图5）。
1925年，荷兰科学家彼得·德拜（Peter Joseph Wilhelm Debye 1884⎯1966）进一步改进阿累尼乌斯的理论，并给出了电离的计算公式（这个公式称之为电荷的偶极矩公式，偶极矩就是以德拜命名的）。1936年，他荣获诺贝尔奖。
德拜曾任职于德国柏林威廉皇家物理研究所（现名马克斯·普朗克研究所），第二次大战前夕，他因不满纳粹的统治，离开德国到美国康内尔大学任教（图5）。他还是超低温技术的奠基人之一。
斯万特·阿累尼乌斯
彼得·德拜 图5，为电化学奠基的两位科学家
阿累尼乌斯和德拜的研究开创了电化学这一门学科。电解、电镀、电抛光等技术由此而生。
第二次世界大战后，盛产石油的中东地区多次发生战争，致使全球的石油供应链受损，石油价格飙升。于是各大能源公司开始研究可再生能源与电池技术。
电池由阴极、阳极和电解液三个部分组成。要改进电池必需从这三个部分着手。
用什么来做电极最好呢？从元素周期表上可以看到，锂是仅次于氢和氦的第三小元素（图6）。它会迅速释放最外层的电子，所以电子亲和度高，反应能力很强。其次，锂比其他元素都要轻，比重很小，所以特别适合携带。最后，由于锂离子和电子能够快速返回，充电容易。
图6，元素周期表中的锂
最早研究锂电池的是英国工程师斯坦利·惠廷汉姆（Stanley Whittingham，1941—）。1970年代初他在美国的埃克森美孚公司工作时，首先尝试使用锂作为阴极，用二硫化钛为阳极。这种组合虽然效果很好，但极其危险。因为锂的熔点仅为摄氏，化学反应产生的热使它很容易着火。埃克森美孚很快就停止了这项试验。
不久，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的工程学教授约翰·古迪纳夫（John B. Goodenough，1922⎯）尝试用钴酸锂（lithium cobalt oxide）代替二硫化钛作为阴极。这样不仅提高了安全系数，而且电池的势能也翻了一倍。
接着，日本名古屋美城大学的吉野彰（Akira Yoshino，1948）进一步改进了锂电池。他用一种碳质材料作为阳极，碳酸锂作为电解液（碳酸锂也是治疗抑郁症的药物）。这使得锂电池更安全、更稳定。他的设计一直沿用至今。
2019年，这三位科学家因为他们在锂电池方面的贡献获得了诺贝尔物理奖（图7）。
图7，2019年诺贝尔物理奖授予锂电池的发明者（左起）：约翰·古迪纳夫，斯坦利·惠廷汉姆，吉野彰
电池讲究的是安全、比重（单位体积的重量）、单位能量（单位重量所含有的能量）、能量密度（单位体积所含有的能量）、使用寿命与充电速度。
近年来，各种各样的锂离子电池不断出现，例如：
①钴酸锂（Lithium Cobalt Oxide）电池、②锰酸锂（Lithium Manganese Oxide）电池、③钛酸锂（Lithium Titanate）电池、④磷酸铁锂（Lithium Iron Phosphate）电池、⑤镍锰钴锂（Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide）电池、⑥镍钴铝锂（Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide）电池，等等。
④用了三种元素，所以称为三元电池。⑤和⑥用了四种元素，可以称为四元电池。
这些电池各有优缺点，造价也不同。元素的组合非常之多，相信将来还会有性能更好、价格更优的电池。
今天我们的生活离不开电池：手机、手表、各种各样的遥控器、电动汽车、等等。科学家与工程师们也发明了各种各样的电池。以色列的一个科研团队发明了土豆电池（图8），在土豆上插上铜铁两个电极，就可以做出电池驱动LED灯泡。
图8，土豆电池
瑞典的一个科研团队发明了钢筋混凝土电池（图9）：
用涂上铁的碳钎维作为阴极，用涂上镍的碳纤维作为阳极，混凝土本身是电解液，这样整栋大楼都可以变成电池，从而解决高峰用电的问题。
图9，钢筋混凝土电池
当今世界每年平均制造800亿个电池，平均每人10个（你用了几个？）。
电池都是有寿命的。在巨大的用量面前，废旧电池的回收是个大问题。首先，由于使用安全的要求，电池必须严密封装，因此难以分拆。其次，电池由多种材料组成，包括锂、镍、钴、锰、铁、磷、氟等等，有些有毒，有些易燃，有些价值不高，不但难以一一分离，而且处理过程十分昂贵，所以回收电池有成本与污染问题。
例如，今天世界上大多数的锂都是从玻利维亚和智利的盐湖中采集、提炼得到的（图10），成本不高，比从电池中回收锂便宜得多。目前世界上回收电池做得最好的是德国，靠的还是国家的严格法令。
图10，玻利维亚的盐湖
能不能让电池的寿命更长呢？在英国牛津大学的一个实验室中有一个电池从1840年开始运行，至今已经180多年了（图11）。
图11，牛津大学一个实验室的电池从1840年开始运行至今
正如吉野彰在接受诺贝尔奖时所说，电池技术的研发才刚刚开始。科学家和工程师们还在努力的研发更好的电池。
