研发与制造电池，特别是电化学电池的过程，与烹饪美食及其相似。都需要精选材料与研究配方；离不开制备工艺与过程控制；同样需要经过不断试验与改进优化，还少不为之创新样式与个性化的表达，两者表面似乎毫无关联，但实际上却有着深刻的相似性。
假如当年意大利科学家亚历山德罗·伏打（Alessandro Volta）没有醉心于电池发明，而选择从事精研菜式，俺么交替排列的锌片与铜片可能会被换成面包与牛肉饼，中间浸有盐水的纸片也许会是浸泡过的酱瓜与洋葱圈。如今他的名字可能就会被会被用来命名，这款风靡全球的美食，而不是电堆以及电压单位。
有趣的名字来历
最早的电池什么时候出现，一直众说纷纭。1938年伊拉克巴格达附近出土的“巴格达电池”估计早在在公元前250年-公元250年间制造，由一个陶罐、铜筒和铁棒组成，这可能是如今找到最早期的电池装置。而实际用途到底是产生电流，还是电镀或其他仍处于争论阶段。
电池英文得名于火炮组
如今电池的英文“battery”，实际上早于真正电化学电池出现之前就已经存在。这个单词在军事领域上表示“连续猛击”或“火炮组”，源于火炮在战场上的协同作战能力，多指的是能够不间断地连续发射炮弹的一组火炮或炮台。如今Artillery Battery依然是炮兵团的炮阵意思。
富兰克林的莱顿瓶阵列
真正将battery一词引入电学领域，极有可能是那个用风筝捕捉雷电的发明家本杰明·富兰克林。因为早在真正电池发明出来之前，那些对电流有需求的实验者通常会使用莱顿瓶来提供电能。作为一种以物理方式储存电荷的装置，莱顿瓶和如今电容器一样只能一次性释放所有电荷。为了得到更强的放电效果，富兰克林选择将多个莱顿瓶串联在一起使用。并把这种看着像多门火炮连接发射的装置，取名为“Electrical Battery”。渐渐地成为了如今电池称呼。个人倒是觉得中文“电池”更为形象，就如不断排空或者灌满的水池，电池只是一个储存电量的“池子”。
青蛙腿带来的启发
电池的发明故事，还得从那条著名的青蛙腿说起。1780年意大利医生、物理学与生物学家伽伐尼，通过一系列实验揭示了生物电现象。最著名的莫过于金属手术刀触碰青蛙裸露神经引发其腿部抽动。这个如今仍是大多数人中学阶段必做的实验，引起了同时代科学家亚历山德罗·伏打的注意。他对生物电流效应理论有不同看法。在他看来电现象应该是由两种不同金属通过潮湿的中间体连接引发。随后更通过实验印证了自己的假设，并在1791年发表文章。
伽伐尼的青蛙实验
1800年伏打发明了第一个真正意义的电化学电池——伏打电堆。伏打电堆用浸泡在盐水（电解液）中的布或纸板，隔开堆叠在一起的成对铜片和锌片，可产生持续且稳定的电流。在不用的时候，电池随时间推移只损失很小电量。为了改善早期设计电压不足的问题，伏打尝试了许多不同的金属搭配，锌和银是效果最好的，但成本也最贵。
伏打电堆的结构
碍于对化学知识认知的不足，伏打从未想过电流来自化学反应，而是提出了称为“接触张力”的理论。坚定地认为产生电流是因为两种不同材料相互接触。但不论是他还是其他科学家，都无法解释为何伏打电堆在工作时，会出现锌板腐蚀现象。并且电流越大腐蚀速度越快。直到该现象最终成为否定 “接触张力”理论，肯定电化学理论的主要证据。
后来各种对伏打电堆技术缺陷的改良，为如今实用型电池提供了不少启发。解决电解液泄漏问题就是其中一例。由于伏打电堆所使用的金属圆盘重量过大，会压迫浸泡盐水的布料引起短路。1802年苏格兰教授威廉·克鲁克香克选择放弃成摞堆叠，而将铜和锌圆盘横向装入盛有盐溶液的木盒。发明了世界上第一款可大规模制备的槽式电池。
丹尼尔电池结构
1836年同样为了解决伏打电堆工作时候产生氢气泡的问题，英国化学教授丹尼尔选择通过第二种电解质来消耗第一种电解质产生的氢气。这种“丹尼尔”电池通过在装有硫酸铜溶液的铜锅之中，浸入装有硫酸和锌电极的无釉多孔陶器容器组成。陶器屏障允许离子通过，也能有效阻止溶液混合。这一重大改进令其得到了比伏打电堆更长、更可靠的电流，同时腐蚀性也更小、更安全。而这种设计也成为了行业中第一个工业标准。
1919年的重力电池
丹尼尔电池在19世纪中被法国人卡洛德改良成 “重力电池”。重力电池有一个位于底部的铜负极，而锌正极则悬挂在玻璃管边缘下方所组成。硫酸铜晶体散布在负极周围，当蒸馏水被倒入玻璃罐后，电流通过的正极周围顶部会形成硫酸锌溶液。由于密度较低且电池具有极性，所以顶层硫酸锌与底部硫酸铜层持续保持分离。这种简单设计省去了多孔屏障，降低了内部电阻，能产生更强电流。很快就成为美国和英国电报网络首选电池，并被广泛使用到1950年代。有意思的是由于硫酸锌层与深蓝色的硫酸铜层会在视觉上形成鲜明对比，所以使用者能迅速预估电池寿命。缺点则是重力电池只能在固定设备中使用，否则溶液会混合或溢出。而且还必须持续使用才能防止溶液通过扩散混合，无法说停就停。
重铬酸盐电池
随着诸多不同结构设计、不同正负极和电解液材料搭配的改良电池出现。电池技术一边修复老问题，一边又提出新问题。比如1842年德国科学家波根多夫使用多孔陶罐解决了分离电解质和去极化剂问题的波根多夫电池，在1859年被格勒内特改良为使用稀硫酸为电解质，铬酸为去极化剂的格勒内特电池。这应该是首次为两极引入碳板的设计。这种电池能提供1.9V电压，由于电压相对较高、电流持续稳定且无任何烟雾，多年来一直受到实验者青睐。但脆弱的薄玻璃外壳以及只有手动抬起锌板才能停止反应，最终导致其失宠。
充电电池和干电池时代
所有早期电池在化学反应物耗尽后终将报废，无法重复使用是他们共同的痛点。1859年加斯通·普兰特发明了史上第一个可被反向电流充电的铅酸电池。铅酸电池由浸入硫酸中的铅正极和二氧化铅负极组成。两个电极都与酸发生反应生成硫酸铅，正极反应所释放的电子在二氧化铅处消耗，从而产生电流。当反向为电池充电的时候，这些化学反应会发生逆转。首款设计由两片被橡胶条隔开，卷成螺旋状的铅片组成。主要为靠站的火车电灯供能。
1880年福尔的铅酸电池成为如今的雏形
1881年卡米尔·阿方斯·福尔对铅酸电池进行了重大改进。采用更适合大批量盛传的铅格栅外加氧化铅糊压极板结构组成电池，成为了后来铅酸电池的普遍设计雏形。虽然铅酸电池至今仍十分笨重，但极低的内阻与持续稳定的大电流，让它们时至今日都是汽车等对重量不敏感的应用领域首选。铅酸电池出现后，可充电电池基本原理与重量尺寸几乎没有改变。20世纪30年代初，人们终于发现可以向电池内部添加二氧化硅凝胶电解质，令充电电池小型化，真空管收音机等多种电子产品也随之走向便携。
NCC公司的哥伦比亚干电池
人们始终在寻找能替代液体电解液的固体电解质。据信第一款高压干电池是1812年通过使用纤维、明胶甚至锯末实验得来的Zamboni电堆，只不过因其电流过小而无法商用。1886年卡尔·加斯纳改良了勒克朗谢电池，他将氯化铵与熟石膏混合制成糊状电解质，在插入二氧化锰负极后，将两者封装在兼顾正极作用的锌壳内。这应该是世界上出现的第一款干电池。而为了提高保质期，他甚至还加入了少量的氯化锌令其更加稳定与坚固，能在任何方向上使用。同期对干电池设计有所贡献的，还有1887年日本的屋井先蔵，其发明的干电池在1893年哥伦布博览会上引发了国际关注。1896年NCC公司推出的哥伦比亚干电池，创新地用卷纸板代替了熟石膏，不但为负极留出了更多空间，也使电池制造更容易。这款方便大众使用的电池，甚至直接导致了手电筒的发明。这种后来被称为碳锌电池的产品至今仍在生产售卖。
早期的电动汽车使用十块福尔蓄电池供电
对于充电电池的技术探索一直持续，1899年瑞典科学家瓦尔德玛·荣格纳发明了能量密度明显高于铅酸电池，结构异常坚固但价格十分昂贵的镍镉电池，这是一种所使用氢氧化钾溶液的可充电电池，也是第一款碱性电池NiCd。随后1910年瑞典企业将其商业化，并于36年后传入美国。
电池技术爆发期
荣格纳当年其实还申请了镍铁电池专利，但这种电池虽然价格便宜，但充电效率较低且会产生氢气，使用效果远不如镍镉电池，为此并未受到重视。反倒是启发了爱迪生从中发现了巨大商机，爱迪生认为如果能生产出一种轻便耐用的电池，将有利于电动汽车全面发展，帮助自己企业成为主要电池供应商。在借鉴荣格纳的设计经过多次实验后，爱迪生在1901年为碱性镍铁电池申请了专利。然而用户在实际使用中却发现这款碱性镍铁电池十分容易漏液，导致电池寿命缩短，而且似乎性能比铅酸电池好不了多少。长达七年的改进时间让爱迪生的美好愿望旁落，因为此时廉价可靠的福特T型车已经让汽油发动机成为业界标准，纯电动车概念也因此搁置了近百年时间。
爱迪生改进的碱性镍铁电池
直到20世纪50年代末，碳锌电池持续成为最流行的选择。而改变这一潮流的是加拿大工程师厄里。原本他主要寻找延长碳锌电池寿命的方法。可当他接触到爱迪生早期工作的研究资料后，发现碱性电池更有商业前景。1959年投放市场的厄里电池，正是由二氧化锰负极和锌粉正极以及碱性电解质所组成。加入锌粉的独特想法不但让正极获得更大的表面积，也让碱性电池一炮走红。
厄里的碱性电池结构示意图
1989年投入市场的镍氢电池(NiMH)，原本并非为民用所开发，而是作为商业通信卫星的储能子系统。相对于会污染环境的镉，镍氢电池对环境的破坏较小。使用寿命比镍镉电池更长，并且随着制造商的不断尝试，更多新合金让镍氢电池寿命不断增加，这让镍氢电池大受欢迎。
丰田普锐斯使用的镍氢电池
锂离子电池属于划时代的产物，也是碱金属离子电池经典代表。锂是密度最低、电化学势和能量重量比最大的碱金属。原子量低、离子体积小，能加速扩散。所以锂元素迅速成为理想的电池材料。早在1912年，曾任加州大学伯克利分校化学学院院长的美国物理化学家，吉尔伯特·牛顿·刘易斯就开始进行锂电池实验，但直到20世纪70年代，商用锂电池才以锂离子电池的形式进入市场。电压为3V的CR123A和各类纽扣电池，均是锂电池的代表产品，如今仍广泛使用在相机以及小型设备之中的。
开发出第一款锂离子电池的吉野彰
1980年美国化学家发现LiCoO2（锂钴氧化物），也就是常说的钴酸锂、同年摩洛哥科学家发现具有具有固体电解质特性的石墨、1981年日本化学家发现有机化合物Polyacene（多并苯）在传统液体电解质中用作正极非常有效。这三项发现让锂电池技术得到了质的飞跃。1985年日本朝日化学公司织造出第一个锂离子电池原型，索尼在1991年将锂离子电池商业化。为了表彰在锂离子电池领域的贡献，发现锂钴氧化物的古迪纳夫、发现插层电极的惠廷汉姆以及开发出第一款锂离子电池的吉野彰，在2019年共同获得了诺贝尔化学奖。
锂钴氧化物结构
1997年，索尼和旭化成株式会社推出了锂聚合物电池。这些电池将电解质保存在固体聚合物复合材料中，而不是液体溶剂中，电极和隔膜相互层压在一起。这种设计让电池可以装在柔性包装中，而不是刚性金属外壳中，虽然其能量密度通常低于普通锂离子电池，但这意味着从此电池可塑性以适合特定设备。如今各种消费电子产品所使用的电池基本都受益于这种设计。
结语：
电池技术发展所经历的翻天覆地变化，离不开发明者们对每种材料与配方的细心精选；对工艺流程的严格控制；对试验与优化的反复尝试，以及心思巧妙的样式创新感谢每一位电池发明者所做的贡献，在我眼里你们都是一个“好厨子”。
2019年诺贝尔化学奖的三位获得者
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