今天，隨處可見的電池著實沒有太大的誘人之處，然而，回顧汽車文明演進的曲折歷程，我們不難發(fā)現(xiàn)，小小的電池在其中扮演了極其重要的“角色”。電池技術的進步，對于汽車發(fā)展的影響有目共睹，并將深刻影響著未來汽車文明的走向。

電池發(fā)明，“電動”夢起

電力文明的誕生極大地改變了人類文明的進程，因此成為人類歷史上的一個重要里程碑，包括汽車在內的交通運輸業(yè)，自然也是電力文明最為重要的受惠領域之一。

在19世紀二三十年代，在世界范圍內，馬車仍然是人們主要的交通工具。以畜力為動力的交通時代，就是當時生產(chǎn)力發(fā)展水平的典型例證。人們何嘗不想尋求改變呢，只是沒有更好的替代方案罷了。事實上，伏打電池的誕生，不僅促進了電學自身的進展，而且也喚醒了人類的“電動夢”。

其實，自然界的生命世界中普遍存在著生物電的現(xiàn)象。比如，心臟的跳動、肌肉的收縮、眼睛的開閉、大腦的思維等活動，都會伴隨有生物電流的產(chǎn)生和變化。但是很少有人對其進行認真的研究，并探索出其中的更多秘密。伏打電池就是在生物電的啟發(fā)下被發(fā)明出來的，并對人類文明的發(fā)展起到了積極的作用。

1780年，意大利科學家伽伐尼在一次解剖青蛙時獲得了一個意外發(fā)現(xiàn)，那就是生物電的存在。當時，他把一只已解剖好的青蛙放在一個潮濕的鐵案上，當解剖刀無意中觸及蛙腿上外露的神經(jīng)時，解剖好的青蛙腿居然猛烈地抽搐了一下……伽伐尼感到十分新奇，并立即重復了這個實驗，結果這種現(xiàn)象得到了重復。

伽伐尼選擇多種不同的金屬（銅、鐵、銅、銀等）材料連接在一起，把另兩端分別與死蛙的肌肉和神經(jīng)相接觸，結果青蛙就會不停地屈伸抽動。如果用玻璃、橡膠、松香、干木頭等物體來代替上述實驗中的金屬材料，就不會發(fā)生上述現(xiàn)象。因此他認為這是一種生物電現(xiàn)象，并發(fā)表了相關的研究論文。

1791年，意大利物理學家伏打對伽伐尼的發(fā)現(xiàn)很感興趣，因此進行了一系列的驗證實驗，甚至還在自己身上做了實驗。他認為伽伐尼發(fā)現(xiàn)的生物電在本質上是一種物理電現(xiàn)象，蛙腿本身是不放電的，只是外來電使蛙腿神經(jīng)興奮而發(fā)生痙攣罷了。

伏打在伽伐尼實險的基礎上，致力于研究兩種不同金屬接觸時的電行為。他發(fā)現(xiàn)，當把某種金屬浸入某些液體之中時，往往也會發(fā)生同樣的電流效應。這個發(fā)現(xiàn)使伏打感到異常興奮，并為之進行了不懈的努力。

1800年3月20日，伏打宣布了一個重要的科學發(fā)現(xiàn)，這就是著名的“伏打電池”。他用銀片和鋅片兩種不同的金屬做電極，用鹽水或其他導電溶液作為電解液，從而構成了電流回路。在伏打之前，人們只能應用摩擦發(fā)電機來發(fā)電，并將電荷存放在萊頓瓶中。這種發(fā)電的方法十分麻煩，得到的電量也受到很大限制。伏打電池克服了這些缺點，使得電荷的獲取變得非常方便。

那么，伏打電池都能干些什么呢？這在當時無疑是一個亟待探索的課題。德國人利用伏打電池進行了電解水研究；英國人利用伏打電池進行了電解氯化鉀、氯化鈉的研究；英國化學家戴維利用伏打電池進行了放電實驗；丹麥人奧斯特利用伏打電池進行了磁針偏轉實驗。

于是有人就想到，伏打電池既然可以作為電磁學和化學研究的有力工具，那么它能否取代畜力來驅動交通工具呢？這也許就是電動汽車概念的萌芽。

電池升級，“電動”追夢

盡管伏打電池是一種比較原始的電池裝置，但它卻是人類歷史上第一個人為產(chǎn)生穩(wěn)定、持續(xù)電流的裝置。因此，這一發(fā)明足以讓全世界為之興奮。當時的法國皇帝拿破侖一向對學者很尊重，1800年11月20日，他在巴黎召見了伏打。為了表彰伏打對人類的巨大貢獻，科學界用他的姓氏來命名電壓的單位，我們現(xiàn)在所使用的“伏特”（簡稱“伏”）就是這樣得來的。

伏打電池是由很多銀鋅電池連接而成的電池組，在應用時可以通過增減其連接的電池單元數(shù)來調節(jié)電壓。伏打電池的發(fā)明為研究電流現(xiàn)象提供了物質基礎，同時也為電流效應的應用開啟了一扇大門。

大約在1802年，蘇格蘭化學家克魯克香克研究了伏打電池，并利用其進行了許多涉及電解的實驗。他對伏打電池進行了改進，從而發(fā)明了槽式電池。這種電池是將方形銅片和鋅片排列成一個長方形放入裝滿電解質溶液的木箱中制造而成。槽式電池的優(yōu)點是電解質不易損失，并且可以儲存更多的能量。

克魯克香克發(fā)明的槽式電池被認為是第一種可以大規(guī)模生產(chǎn)的電池。電池的進步加快了其應用的步伐，并在許多方面發(fā)揮了作用。電池有了，能否引發(fā)一場動力革命呢？許多國家的發(fā)明家敏銳地意識到了電池的巨大潛力，并投身于“電動夢”的實踐活動之中。

匈牙利工程師耶德利克被認為是世界上第一個研究電動車的科學家。耶德利克于1828年開發(fā)出了早期的電動機。他設想的電動模型車是以電力作為動力進行驅動的，并在實驗室里完成了電傳裝置實驗。

1831年，法拉第的電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，為打開電力大門提供了理論基礎。

1834年，一個名叫達文波特的美國鐵匠制造了一個電動汽車模型，據(jù)稱可以在小型圓形電氣軌道上運行。他發(fā)明的電動機由電池供電，當電流施加到固定磁鐵并通過換向器開關連接到車輪磁鐵時，車輪旋轉并驅動汽車前進。有人認為，達文波特發(fā)明的電動機是第一臺有望取得商業(yè)成功的電動機，但由于沒有可以充電的電源而賣不出去。將一次性電池用作動力電池不具備任何優(yōu)勢，除了續(xù)航里程短之外，成本居高不下也是一個原因。

二次電池，“電動”夢圓

1859年，法國發(fā)明家普蘭特研發(fā)了世界上第一塊鉛酸蓄電池。早期的模型是兩片被亞麻織物隔開的純鉛，浸漬在裝有硫酸溶液的玻璃瓶中。這是世界上第一種實用型的可充電電池，有望解決電動汽車推廣中的瓶頸問題。

鉛酸蓄電池是一種能實現(xiàn)電能和化學能互換的技術裝置，在許多領域都獲得了普遍的應用。鉛酸蓄電池由4個主要部分組成，即電極板（陽極板與陰極板）、電解液、隔離板和電槽。鉛酸蓄電池中最為重要的材料就是電極板，構成電極板的原料主要為鉛粉。鉛酸蓄電池中的電解液為硫酸，是參與電動反應的活性物質，除了導電之外，也參與電極的反應，經(jīng)放電而消耗，充電即可生成。隔離板是放置于兩極之間的板材，除了作為隔離電極的裝置外，還可以防止正、負極間的短路。

此后，法國科學家卡米爾·福爾對普蘭特原始電池進行了改進，極大地提高了普蘭特電池的商業(yè)價值。1881年，卡米爾·福爾為改進版本申請了專利。該改進版本為電池創(chuàng)造了一個更好的結構，通過壓制氧化鉛形成板，并制造了一個鉛網(wǎng)格子，還在鉛板上涂上了氧化鉛、硫酸和水的糊狀物。這種創(chuàng)新設計允許將多塊板組合在一起以獲得更大的功率，同時由于增強了其化學活性而使得能量密度較原始版本提高了不少。

事實上，卡米爾·福爾推出的優(yōu)雅版本后來一直為電動汽車提供動力。鉛酸蓄電池結構日趨成熟，被應用于驅動電動三輪車。英國天才發(fā)明家托馬斯·帕克發(fā)明頗多，被譽為“歐洲的愛迪生”。他于1884年發(fā)明的電動汽車實現(xiàn)了電動化，并且在車輪上裝上了液壓制動器。

1873年，英國人羅伯特·戴維森制作了一種實用的電動汽車，其電池為鐵、鋅、汞合金與硫酸進行反應的一次性電池。美國發(fā)明家愛迪生還發(fā)明了一種由鎳、鐵和堿溶液制成的新型蓄電池，曾一度成為電動汽車的主要能源。

經(jīng)過近一個世紀的探索，電動汽車的擁有量激增。由于鉛酸蓄電池的價格低廉、性能可靠，因此在電動汽車領域獲得了廣泛的應用。到了20世紀初，早期版本的電動汽車迎來了短暫的輝煌。同期，在美國注冊的汽車中，有40%為蒸汽動力汽車，38%為電池動力汽車，只有22%為汽油燃料汽車。

油車逆襲，“電動”夢滅

說起汽油車的逆襲，這里有許多方面的原因，但鉛酸蓄電池的進步無疑也發(fā)揮了重要的作用。你可能不解，為何鉛酸蓄電池的進步?jīng)]有讓電動車更加輝煌，反倒助推汽油車的成功逆襲呢？

先來說說汽油車逆襲的社會經(jīng)濟方面的原因。首先是石油資源的大規(guī)模開采，使得內燃機燃料價格大幅下跌。其次是道路網(wǎng)絡的改善，使得汽油車可以以更快的速度行駛更遠的距離。相較而言，由于電動車存在成本較高以及“里程焦慮”的缺陷，自然在競爭中失去了優(yōu)勢。

1912年，福特T型車的下線，對電動汽車也是一個沉重的打擊。T型車是美國汽車制造商福特推出的一款新車型，代表了汽車工業(yè)史上的一個重要時刻。由于生產(chǎn)環(huán)節(jié)引入了裝配流水線，使得大規(guī)模生產(chǎn)變得輕而易舉，只需要33分鐘的時間就能造出一輛汽車，因此當時T型車的成本大幅下降，遠遠低于當時電動汽車的成本。低廉的價格讓T型車成為了普通百姓的交通工具，而電動汽車的銷量卻急轉直下。

為什么說鉛酸蓄電池助推了汽油車的逆襲呢？原來，鉛酸蓄電池催生的電起動器，成為了終結汽油車手搖時代的一個重要原因。盡管鉛酸蓄電池在汽油車上并不提供前進的動力，但是它以獨特的起動優(yōu)勢為汽油車提供了必不可少的輔助服務。

在當今時代，現(xiàn)代汽車已經(jīng)達到了相當高的技術水平，并且日趨完備的人性化和智能化設計讓消費者倍感舒適。就拿汽車的起動來說，除了鑰匙起動之外，還有手機起動、卡片起動以及指紋傳感器起動等智能化起動方式?？墒?，早期的汽車起動十分困難，甚至還有相當大的風險。據(jù)稱，早期的汽車點火是依靠手搖曲柄提供的動力來起動燃燒過程的。這種手搖曲柄為一種帶有手柄的金屬桿，搖動曲柄轉動發(fā)動機時對司機的體力和技巧要求很高。因此，手搖曲柄起動發(fā)動機是一項高難度的作業(yè)，稍有不慎就有可能造成嚴重的傷害。事實上，在這方面造成的人身事故并不鮮見。

由于手搖曲柄的機械式起動存在煩瑣、低效以及安全方面的缺陷，因此很多發(fā)明家想盡辦法對其進行改進。1911年，美國發(fā)明家凱特林開發(fā)完成了第一個實用的汽車電起動系統(tǒng)。1912年，通用汽車把這個起動器搭載到了凱迪拉克汽車上，使其成為世界上最早的電起動汽車。

該發(fā)明徹底改變了汽車行業(yè)的面貌，告別了手搖曲柄起動發(fā)動機的歷史，并為現(xiàn)代汽車中的電氣系統(tǒng)（如照明、點火和配件等）奠定了基礎。如果說凱特林發(fā)明的汽車電起動系統(tǒng)是手搖時代的終結者，那么鉛酸蓄電池就是汽車電起動系統(tǒng)的動力源泉。因為沒有鉛酸蓄電池的發(fā)明，就不會有汽車電起動系統(tǒng)的誕生和應用。

汽車電起動系統(tǒng)是由鉛酸蓄電池、起動機、點火開關、起動繼電器等多個部件組成的。只要駕駛員按下按鈕或轉動鑰匙，就能夠起動發(fā)動機的燃燒過程。其起動工作原理，是通過起動機把鉛酸蓄電池的電能轉換成機械能，驅動齒輪產(chǎn)生機械運動而起動發(fā)動機運轉的。起動機電路的通斷是由一個電磁開關來控制的，發(fā)動機起動完成后即可自動脫開。

低碳訴求，“電動”夢回

在全球能源短缺和環(huán)境日益惡化的嚴峻挑戰(zhàn)下，電動汽車的回歸已成大勢所趨。由于電動汽車在能源和環(huán)保兩個方面都具有明顯的優(yōu)勢，因此是汽車文明走向和諧之路的必然選擇。被譽為電動汽車“心臟”和“神經(jīng)”的電池仍然是人們關注的焦點，其發(fā)展水平和功能直接影響電動汽車的發(fā)展空間。

不過，現(xiàn)在的汽車電池早已不是昔日的模樣和水平，電動汽車的標準也早已今非昔比。電動汽車承載了低碳環(huán)保的歷史使命，代表了汽車文明的發(fā)展方向。

現(xiàn)代意義的電動汽車，一般是指全部或部分由電能驅動電機作為動力系統(tǒng)的汽車，它包括燃料電池電動汽車、純電動汽車和混合動力電動汽車三大類型。無論哪種動力來源的電動汽車，都離不開高性能的動力電池來支撐。

所謂動力電池，簡單來說就是取代燃油汽車“油箱”的動力裝置，即為電動汽車提供動力的電池。動力電池應具備較高的能量密度和循環(huán)壽命，以提供長時間持續(xù)的高功率輸出，滿足電動汽車長距離行駛的要求。

仍在現(xiàn)代電動汽車中使用的鉛酸蓄電池，其扮演的角色與早期有所不同。在早期的電動汽車中，鉛酸蓄電池是以動力電池的身份發(fā)揮作用的；而在現(xiàn)代電動汽車中，鉛酸蓄電池扮演的角色則是起動電池。所謂起動電池，是指用于電動汽車起動的電池，要求能夠提供高峰值電流。由于鉛酸蓄電池中的鉛有毒，因此汽車無鉛化的呼聲日趨高漲。鉛酸蓄電池能否被取代，則取決于替代方案的技術、經(jīng)濟可行性。據(jù)悉，比亞迪率先使用磷酸鐵鋰起動電池取代鉛酸蓄電池，為推動中國汽車整車無鉛化邁出了堅實的一步。

面向未來，“電動”致遠

看來，發(fā)展電動汽車的瓶頸仍然是電池，只有研制出安全高效的動力電池，電動汽車才能一路走好。動力電池作為電動汽車能源的直接供給者，不僅決定了電動汽車的行駛里程，而且關系到電動汽車的節(jié)能、環(huán)保、安全以及消費者體驗等方面的性能。

衡量動力電池的主要性能指標包括比能量、比功率和使用壽命。比能量指的是電池單位質量或單位體積所能輸出的電能，它決定了汽車行駛的時間長短。比功率是評價電池是否滿足電動汽車加速性能的重要指標，指的是電池單位質量或單位體積輸出的功率。至于使用壽命，則是越長越好。

目前，鋰離子電池仍然是動力電池的主力品種，包括三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池等。三元鋰電池是一種集高能量密度和高電壓為一體的儲能裝置，可應用于電動交通工具等領域。三元鋰電池具有很好的抗低溫性能，但熱穩(wěn)定性較差。磷酸鐵鋰電池是一種使用磷酸鐵鋰作為正極材料、碳作為負極材料的鋰離子電池，單體額定電壓為3.2伏，具有價格便宜、安全性好、熱穩(wěn)定性好、自燃風險小、循環(huán)壽命較長等優(yōu)勢，但磷酸鐵鋰電池的能量密度不如三元鋰電池高。

目前，我國已建成了全球最大規(guī)模的動力電池產(chǎn)業(yè)體系，鋰離子電池的正極、負極、電解液和隔膜四大原材料基本上擺脫了進口依賴，鋰電設備國產(chǎn)化率已達到90%以上。

超級電容器是一種新型的高性能儲能器件，不僅能滿足動力電池安全穩(wěn)定的快速充電要求，還實現(xiàn)了峰值功率輸出（起動、爬坡、剎車等）需要的高功率輸出。

從長遠來看，氫燃料電池才是真正意義上的清潔能源。因為它基于電解水的逆反應，可以利用氫氣和氧氣的化學能直接轉換成電能，產(chǎn)物只有水和熱，是真正的“零排放”。

面對日趨激烈的國際市場競爭，我國不斷加大資金和技術投入，不斷提高動力電池的效能以及可靠性和安全性等，并研制鈉電池、固態(tài)電池等一系列新型高效電池。

專家認為，未來的汽車并不是一個單獨的體系，而是能源互聯(lián)網(wǎng)體系中的個體單元。因此，未來的電池還要肩負存儲和消納太陽能和風能等可再生能源的職能。未來的電動汽車還要通過有序充電、車網(wǎng)互動等措施來平衡和緩解電網(wǎng)的壓力。汽車電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將在電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化的大潮中大有作為。

【責任編輯】蒲 暉