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“电”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:electricity(elektron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,钠,镁,钙,钡,锶。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。