手机、电脑等便携式设备是移动互联网时代的重要工具，电池的出现使这些移动电子设备成为可能。巴格达古电池、琥珀静电、莱顿瓶、伏特电堆……从波斯文物到人人常见的日用品，跨越千年的电池史，就是一部趣味科学史。

一、起源：从巴格达古电池到莱顿瓶

1936年6月，一群铁路工人正在伊拉克首都巴格达城外修筑铁路时，发现了一处古代坟墓，坟墓石棺中存有大量从阿萨息斯王朝时代的器物。

在这些文物中，发现了一些奇特的陶制器皿、锈蚀的铜管和铁棒。这些陶制器皿类似花瓶，高15厘米，白色中夹杂一点淡黄色，边沿已经破碎。上端为口状，瓶里装满了沥青。沥青之中有一个铜管，直径2．6厘米，高9厘米，铜管顶端有一层沥青绝缘体。在铜管中又有一层沥青，并有一根锈迹斑斑的铁棒。铁棒高出沥青绝缘体一厘米，由一层灰色偏黄的物质覆盖着，看上去好象是一层铅。铁棒的下端长出铜管的底座3厘米，使铁棒与铜管隔开。看上去好像是一组化学仪器。

当时担任伊拉克博物馆馆长的德国考古学家威廉·卡维尼格经鉴定后对外宣称，在巴格达出土的陶制器皿，是一个古代化学电池。只要加上酸溶液或碱溶液，就可以发出电来。考古学家们大胆推测，波斯人制造这些电池的用途是医学麻醉或者用电解法给金属雕像镀金。

这块巴格达古电池现在收藏于大英博物馆，经实测它产生的电压还不如一块柠檬电池，因此，它的实际用途在考古界至今仍是一桩悬案。

真正有史记载电子可在物体上留存的现象，是人类发现了琥珀摩擦后产生静电效应，英文中“电”这个名词便是由希腊语“琥珀”转化而来的。公元前6世纪，古希腊人发现将一块棉布摩擦琥珀，就会产生静电。这在中国古籍中也有记载，我国古代科学家王充在《论衡》中写到，“顿牟介，磁石引针”，“顿牟”即指琥珀。东汉武威太守郭宪在《洞冥记》卷四中同样记述了：“帝所幸官人丽娟，以琥珀为佩，置衣裾里不使人知，云骨自呜。”琥珀具有保持电荷的能力，因而被称作最早的电池。

琥珀摩擦产生静电的现象引起了人们对于电的兴趣，加上人类对于自然界中闪电的敬畏好奇，对电流的研究悄无声息地进行了几百年。对于电流的研究交流，多见于研究者之间的书信往来之中，这些研究者大都是兼职的兴趣爱好者或者热衷科学发现的富商、贵族们。当时印刷一部书的成本足以买下一大片土地，而活字印刷术要再过百年再出现，所以借助书信传播科学研究成果的作用极其有限，人类眼光停留在摩擦生电现象之中，踟蹰不前。

电池的新发现与电力研究的进步密不可分，研究电流，就需要产生、存储电力的设备。1654年，德国人居里克发明了空气泵，居里克将空心硫磺球放置在特殊装置上，使它在两片皮垫上转动，从而使硫磺球带有了静电，可以吸附羽毛、碎布等一些小东西。居里克设计的发电装置，使实验者终于找到了发电和暂时存储电荷的可靠办法，接着又开始深入研究电的本质。1675年，现代化学之父罗伯特·波义耳出版了《摩擦起电的实验与报告》，被普遍视为第一部电学专著。随后戈登发明了第一台电动机，一个金属星形结构以其中心点做轴向固定，尖端在电荷的作用下能够转动。一时间，电的话题传遍街头巷尾。

接下来，天才实验家、莱顿大学教授米森布鲁克将正式掀开电池历史的幕布。1746年1月，米森布鲁克在给巴黎科学院的同事的信件中详细地阐述了自己的最新研究成果——一种存储电能的电容器，其工作原理很简单：在玻璃瓶的内部包裹一层金属，把静电机的电流导入插在瓶中的导线，从而为瓶内的金属层充电，当外面的金属或人手与导电体相连后，电子就由内部冲到外面，这就是电荷的放电现象。米森布鲁克对于“莱顿瓶”的详细描述，使其他人可以轻松复制整个实验过程。“莱顿瓶”释放的电流虽然短暂，能量却十分强大，更便于研究。

欧洲各地很快就出现了各种滑稽的研究场面。法国皇家电工诺莱让180名皇家卫兵手拉手接受“莱顿瓶”的电击，另一名实验家用一根铁丝将修道士串联成1.6千米长的队伍让他们感受电流，围观的王公贵族大笑地看着这些人不约而同地跳起来。远隔重洋的美国人富兰克林在偶然看到一次电学展示会之后，被科学的魅力所吸引，随后6年里他全身心地投入到了电学实验之中，并成功完成了后来家喻户晓的风筝引雷实验。大哲学家康德称富兰克林为“普罗米修斯再世”。在俄罗斯，德国科学家里奇曼试图重复富兰克林的风筝实验时被烧焦了，成为历史上首位在实验过程中因电致死的科学家，沙皇立即下令取缔一切电学实验。

二、发展：从伏特电堆到摇椅式电池时代

禁令并不会斩断朝气蓬勃的电学研究，人们的热情反而日益高涨。

1786年，伽伐尼在解剖金属盘上的青蛙时，发现青蛙腿接触手术刀会出乎意料地抽动，伽伐尼便认为电存在于生物体内。伏特不认同伽伐尼的看法，二人发生论战，伏特也开始全心投入到有关电的实验研究中。伏特受到电鳐身体结构的启发，将锌片、银币、湿纸板重复叠加，用浸湿的双手触摸两端时就会感到强烈的电机，这便是“伏特电堆”，是第一个现代的化学电池，可以提供稳定的电流。伏特发现电堆两极的金属为锌和银时，产生电力的效果最好。1801年末，伏特向拿破仑演示了自己的发明，拿破仑震动不已，敕封伏特为伯爵。伏特，也被学者们确立为电动势的单位。

伏特擅长实验，他曾说，实验的语言比任何推理都具有权威性，事实足以摧毁我们的各种推论，反过来却不是这样。在伏特的实验精神感召下，欧洲各地都在制作电池，先后出现了克鲁克香克电池、渥拉斯顿电堆、丹尼尔电池等等。身为律师和法官的格罗夫爵士将锌铂两极电池放入硝酸内，尽管这种电池会释放有毒的氯化氮气体，但产生了1.8伏左右的较强电荷，后来被电报公司看中。1839年，格罗夫又发明了最早的“燃料电池”，反向利用电流能把水分解成氢和氧的电解反应，把氢和氧结合在一起，就能得到电流和水。只是效果并不理想，未能进行商业投产。

多种多样电池的出现，更便利了研究者对于电的实验。奥斯特发现了电磁场和电磁效应，安培发明了测量电流的电压计，法拉第通过多次试验设计出了电动机并由此发现了电磁感应理论，年轻的仪器制造商皮克西制造出第一台发电机，达文特发明出旋转式电机。1834年，美国人达文特制造出第一辆直流电机驱动的电动车，52年后，卡尔·本茨才制造出首辆内燃机汽车。电动车的发展史比内燃机驱动的汽车要早，然而随着石油技术和内燃机技术的提高，电动车在1920年之后失去了优势。电力进入了商业使用的视线内，格罗夫的硝酸电池大获成功。19世纪50年代，德国化学家本生用碳棒取代了格罗夫使用的昂贵铂电极，彻底降低了电池的制造成本，电池平民化与电力工业化得以同时进行。

电力成熟利用的第一个领域是通信业，电池也是。1843年5月23日，弃画从商的美国人莫尔斯在最高法院向巴尔的摩发送了第一条电报。1858年，大西洋电缆海底接通。电报的应用又促进了各地时间的统一，19世纪70年代，西部联合电报公司开始了“卖时间”业务，年费375美元。钟表制造商和工商企业可以申请使用西部联合的电池钟报时业务，当时时钟装备的电源是装在玻璃罐里的勒克朗谢电池，每年更换一次。勒克郎谢电池是法国工程师于1866年发明的“湿电池”，勒克朗谢在玻璃罐中填装氯化铵，用二氧化锰做阳极，阴极是锌，外加一根碳棒。这种低成本的“湿电池”，生产简单，缺点是电量低，是锌碳电池或干电池的前身，使用在小型电子设备中。

越来越多的设备需要电能，电池技术开始成为一项产业，而不只是实验工具。那些老式的格罗夫电池造价高，电报局使用的大型电池需要锅炉工一样的专门人员养护，保养不慎就会产生漏夜问题。在肯塔基州，一名叫爱迪生的电报局员工，因为电池里硫酸洒出来透过地板流到了楼下的经理室，丢掉了工作。此时，全世界都在急需一块更好用、更持久的电池。

一个市场需求往往比十所大学更能拉动技术进步。法国工程师普朗特首先发明了可充电电池，即蓄电池。充电电池能通过掉转电流方向的方式恢复原来的化学状态，这涉及电池的基本原理，我们可以简单解释一下。电池放电时，从金属上释放出来的电子通过阴极流到外部电路并带动某一电器，然后又返回到电池的阳极。正常使用时，电池的阴极发生氧化反应，期间释放出电子，同时阳极会还原出氧。蓄电池充电的时候，阳极发生氧化，而阴极发生还原，释放出带正电荷的离子。这些离子正是放电过程积累的。

1887年，德国化学家加斯纳申请了“干电池”的专利。加斯纳在勒克朗谢“湿电池”的基础上稍加改进，把氯化铵与熟石膏和一些氯化锌混合在一起，然后封装在锌筒内。酸性干电池，不会漏液，无需维护，可以安装在任何位置，可靠性一流，在20世纪初成为新一代电器产品的理想电源。此时，大发明家爱迪生正在试验一种新的化学材料，十年后，爱迪生发明了碱性电池-可充电铁镍电池。爱迪生的碱性电池被广泛用于道路信号灯和矿工的照明灯，成为爱迪生商业帝国中利润最丰厚的部分。

电池的进步与电力研究发展交相辉映，迎来了第二次工业革命。1896年，平民实验家马可尼申请了无线电报机的专利。1904年的日俄战争期间，战场上首次使用了无线电技术。20世纪30年代，逃往美国避难的德国人艾斯勒设计出电路板。二战期间，在美国陆军部的指令下，摩托罗拉公司研发出新型便携式无线电设备。为了满足电子设备日益小型化的电池需求，鲁本又设计出纽扣电池，得益于此，1957年汉密尔顿公司正式推出了最早的电子手表，售价达到175美元。电子手表风靡一时，“猫王”埃尔维斯和电影《黑衣人》中的威尔·史密斯人手一块。电池越来越小，电动玩具液越来越复杂，流行的锌碳电池已经难以满足需求。厄里将固体的锌该换成金属粉末，第一款现代意义的碱性电池诞生了，其寿命是锌碳电池的40倍。随着晶体管的发明，集成化电子产品成为了未来。消费类电子产品的电源固定在了可充电化学电池之中：碱性电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池。

随着时间的发展，锂离子电池凭借其电压高、能量密度大、性质活泼的优势脱颖而出。在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于从正极 → 负极 → 正极的运动状态。如果我们把锂离子电池形象地比喻为一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象优秀的运动健将，在摇椅的两端来回奔跑。所以，专家们又给了锂离子电池一个可爱的名字摇椅式电池。由于锂离子太过活泼，容易引起爆炸，被美国公司放弃了。后来，日本索尼公司和朝日化学公司又经过努力改进，推出了我们今天使用了锂离子电池。例如我们现在常见的18650电池，它是锂离子电池的鼻祖，日本SONY公司当年为了节省成本而定下的一种标准性的锂离子电池型号，其中18表示直径为18mm，65表示长度为65mm，0表示为圆柱形电池。

2019年10月9日，瑞典皇家科学院宣布，将2019年诺贝尔化学奖授予“锂电池之父”约翰·古迪纳夫、斯坦利·惠廷厄姆和吉野彰三位科学家，以表彰其在锂离子电池的发展方面作出的贡献。至此，专注研究电池的科学家们获得了他们在移动互联网时代应有的名誉。

三、未来：电池的多元化

前文中我们主要讲述了化学电池，即将化学能转化成电能的装置，例如常见的干电池、铅蓄电池、锂电池。除此外，还有生物电池、物理电池。

物理电池，就是依靠物理变化来提供、储存电能的装置。如超级电容、飞轮电池、太阳能电池等等。超级电容是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，源于法拉第的研究，主要依靠双电层和氧化还原赝电容电荷储存电能，但整个过程是可逆的且不发生化学反应，可以反复充放电十万次。超级电容以其超长寿命、大电流充电、免维护、温度范围宽等优势，一直作为替代化学电池的未来选择。太阳能电池出现也很早，1883年第一块太阳能电池制造成功，规模化量产源于1954年贝尔实验室的改良。1958年起，美国发射的人造卫星开始利用太阳能电池作为能量的来源。

生物电池，是指将生物质能直接转化为电能的装置，因为生物质蕴含的能量绝大部分来自于太阳能，是绿色植物和光合细菌通过光合作用转化而来的。2000年后，科学家开始关注生物能的开发利用。2005年，日本东北大学研究小组开发出一种利用血液中的糖分发点的生物电池。这样的生物电池可以为植入糖尿病患者体内的测定血糖值的装置提供充足电量，为心脏起搏器提供能量。2013年，科学家发现可以把细菌体表蛋白生成的能量收集起来，作为电能，生物电池诞生了。在宇宙飞船中，科学家用一种芽孢杆菌来处理人的排泄物，生产氨气，氨气作为电极活性物质，在铂电极发生电极反应，从而产生清洁电流。

地球能源的有限性，一直激励着各国科学家积极研究新能源电池。近年来受到追捧的石墨烯电池，便是利用了锂离子在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性。以石墨烯为基础研发出的超级电容器，体积小巧，充电速度为普通电池的1000倍。此外，锡纳米晶体锂离子电池、金属-空气电池、液态金属电池等等也是各大科研机构追捧的发展点。

更高能量密度、更长寿命、更安全的充放电过程，相信未来电池将会在人工智能、汽车、电子消费、航天等诸多领域得到应用，加快历史发展进程。正如诺贝尔奖委员会在2019年诺贝尔化学奖颁奖词中所说的，“电池已经彻底改变了人类生活，为无线、无化石燃料的社会奠定了基础，为人类带来了最大效益”。