电池往事 I 瓶装闪电

文章的主要内容取自瓶装闪电一书Bottled Lightning —— Super Batteries, Electric Cars, and The New Lithium Economy)  作者Setch Fletcher是一位科学作家这是一本讲电池发展史的有趣的小书它用电池做引线穿起了我们这个时代的很多故事


早在公元前600年前人类就知道了的存在古希腊的哲学家们用布轻擦琥珀旁边的轻羽毛就会被琥珀吸引过来现代人都知道这是静电现象但是在过去的两多年里人们一直认为这是琥珀本身的一种神奇性质并称称其为琥珀力场

直到十七世纪初伊丽莎白一世的御医发现其它材料也可以产生类似现象他联想到琥珀力场给这个更广泛的现象取了一个名字electricityelektron在古希腊语中是琥珀的意思那时还没有人知道怎么储存电于是此后的一个半世纪里电的发展一直不痛不痒

随后在1740年代出现了莱顿瓶因比利时的莱顿镇而得名在一个普通的玻璃瓶的内外两侧都镀上一层金属它们互相不接触玻璃瓶中盛满了水一条金属链从水中沿着瓶口伸出严格地说莱顿瓶并不是电池它本质上是一个电容器虽然它可以储存相当数量的电荷但缺点也十分明显所存电荷会在瞬间放完莱顿瓶放电的瞬间电压可达数千伏除了能击晕一头牛什么也做不了直到1752年天才的本杰明·富兰克林做了那个著名的的风筝实验风筝线末端挂着的那个小瓶就是莱顿瓶**风筝实验至今为人津津乐道因为它证明了空中的闪电和摩擦生的静电其实是一回事人类对电的理解又有了一次重大的突破**这次实验也触到了莱顿瓶的天花板没有稳定的电流科学家们还是无法做定量的研究

真正意义上的电池其实是一次学术争论的意外结果争论的双方都是意大利的著名学者其中一方是意大利动物学家波洛尼亚大学教授路意吉·伽尔瓦尼有一天伽尔瓦尼在实验室解剖青蛙他将蛙腿剥皮用刀尖碰蛙腿上外露的神经蛙腿随即剧烈地痉挛同时出现了电火花经过反复实验后他开始相信痉挛源于青蛙体内流淌着的电流这种电流存在在于所有动物体内由大脑产生流经全身伽尔瓦尼称之为动物电

争论的另一方是著名的亚利山德罗·伏特彼时的伏特是意大利帕维亚大学的物理系教授热衷于研究各种在当时还属于迷信的磁现象伏特也在认真地思考意识和灵魂之间的关系甚至一度推崇伽尔瓦尼的理论但是没过多久他就意识到根本不存在什么动物电电的产生非常简单只需将不同的金属相接触可以产生蛙腿在电的作用下痉挛仅仅因为蛙腿是电的良导体

从1792年起两人就针对电的本质争论不休难分胜负关键的转折点是1797年那一年伽尔瓦尼出版了一本阐述动物电的书书中细数所有支持动物电理论的证据伽尔瓦尼想借着这全书一举摧毁伏打的金属电解释伏特见招拆招轻易将书中论述一一反驳唯独有一种动物的存在让他百思不得其解这种动物就是电鳐Torpedo fish电鳐梄居海底身体扁平头胸部和腹面两侧各有一个可以放电的器官电鳐放出的电足以杀死附近的鱼即使是人和牲畜碰上也会全身麻痹伽尔瓦尼相信电鳐体内一定有一种电流在大脑处聚集沿着神经通路释放到这个发电的器官

电鳐近乎完美地支持了动物电理论伏特一筹莫展他必须尽快扫除电鳐这一威胁这时英国化学家威廉·尼克尔森的一篇论文帮助了他论文指出电鳐发的电并不通过大脑和神经也与意识无关而是正是由它身上的那个发电器官产生**更重要的是这个器官的工作原理甚至可以通过机械装置来模拟**伏特备受启发决意要制造一种能发电的机械装置经过几个月苦战他从实验室里出来手里拖着一个长长的圆柱体的东西圆柱体内一张张圆片堆叠起来每个圆片由锌片和铜片叠加而成中间是一层浸过盐水的纸板锌铜为正负极盐水做电解液这个构造便是所有电池的原型它框定了之后200多年里电池结构的电化学范式无论是铅酸电池还是锂离子电池甚至是最前沿的固态电池都脱离不了这个范式

1800年的三月20号伏特写信给英国皇家学会兴奋地宣布了他的发现一个仅靠接触不同金属就产生电力的装置这个装置就是后来大名鼎鼎的伏打电堆 (voltaic pile)在整个十九世纪伏打电堆出现在了各种实验当中帮助科学家们完成了一个又一个科学突破著名的英国化学家汉弗里·戴维用大型电池分解了各种矿物发现了很多以前未知的元素诸如钾1820年的哥本哈根丹麦物理学家汉斯·奥斯特在一次授课中注意到电流从电池中流出时放在一旁的指南针转动了方向很快他就证明了电可以生磁奥斯特的发现直接导致了詹姆斯·克拉克·麦克斯韦发现了描述电场和磁场关系的著名的方程组麦克斯韦方程组从而又引出了无线电电机电话以及后来所有用电驱动的设备

伏打电堆的发明无疑是人类科技史上的一个里程碑伏特因此在科学圣殿上拥有了一席之地看看世人是怎么评价他的历史学家John L. Heilbron写到这个装置 打开了无限的空间改变了我们的文明 历史学家Goerge Sarton更是说这个伏打的电池为人类开辟了一种全新的无与伦比的能源十九世纪的物理学家麦克尔法拉第也是历史上最杰出的实验学家他称这个电池为 哲学研究的一个伟大的工具实证主义哲学的奠基人Auguste Comte更是奉伏打为不朽把他加入了他的实证主义日历中与历史上最伟大的思想家们并列

即使在今天新能源企业争相用19世纪的物理学家们的名字为自己公司命名有行业领袖TESLA也有臭名昭著的NIKOLA伏打的名字 则被一家充电桩的公司看上名为VOLTA