能量的栖居与远行，电池中的化学

1929年，25岁的古生物学家裴文中先生在周口店北京猿人遗址，发现了厚达6米的灰烬层，这是50万年前人类有控制的用火和保存火种的重要证据，而火是原始社会当之无愧的核心能源。

想象一下，原始人吃完烧烤，生怕火种熄灭，派专人通宵达旦的添柴；后来学聪明了，用灰烬把炭火焖起来，下次一吹就着，最原始的能源的存储方式就此诞生。

后来人们发现了黑石头，这种东西虽然脏兮兮的，但比柴火顶饱，于是挖煤堆山存储能量就成了当时的硬核科技；电发出来后，多余的用不完，抽水储能便应运而生。人类能源储存史就像一场不断升级的“囤粮”游戏，目标始终是：把今天的能量存起来，留给明天用。

时间来到1800年，意大利老哥伏特闲来无事堆叠锌片和铜片，竟捣鼓出世界上第一个电池“伏打电堆”，瞬间点亮了科学界。后来普朗特（别念反了）搞出可充电的铅酸电池（1859年），爱迪生又折腾出铁镍电池（1910年），人类终于实现了能源随身携带的梦想。

一、电池分类

电池的种类很多，按照能否充电，分为一次电池和二次电池；按电解质材料，分为碱性电池、酸性电池、锂离子电池；按外形，分为圆柱电池、纽扣电池、方形电池等。

最基础也最重要的分类方式，是一次电池与二次电池，核心区别在于化学反应是否可逆。

一次电池，也称作原电池。其内部的化学反应是不可逆的。放电后，活性物质被消耗殆尽，无法通过充电恢复，电量耗尽后就需要更换。我们平时用的5号电池、纽扣电池属于此类。

二次电池，也称作蓄电池或可充电电池。其内部的化学反应是可逆的。放电后，可以通过外接电源进行充电，使活性物质恢复到初始状态，从而能多次循环使用。比如手机电池、电动车电池、储能电池就是二次电池。

二、化学反应

为了讲清楚电池的工作原理，化学反应是绕不开的起点。

原子非常非常小，但它内部却很像一个微型的“太阳系”。

原子核位于原子的中心，就像太阳一样。它由质子（带正电） 和中子（不带电） 组成，几乎集中了原子的全部质量(俗称重量)。

电子像围绕太阳运行的行星一样，带负电的电子在原子核外特定的“轨道”（电子壳层）上高速运动着。不同的“轨道”距离原子核的远近不同，所能容纳的电子数量也有规律，例如第一层最多2个，第二层最多8个，最外层则不超过8个，你可以想象这是一个笼罩着远近不同的电子云的球体。电子总是优先排布在能量更低、离核更近的轨道上，以此保持稳定的状态。这就像水往低处流一样，装满洼地后就保持平静。

原子本身是电中性的（质子数等于电子数）。但原子并不总是独来独往，它们也喜欢交朋友，形成分子或化合物，而这一切的关键，就在于最外层的电子，最外层的电子数，决定了这个原子是内向的，还是活泼的。

原子有趋于稳定的倾向，通常最外层有8个电子（第一层为2个）时是最稳定的状态。为了达到这个稳定状态，原子们主要通过两种方式交朋友。

当两个非金属原子相遇，它们会将各自最外层的电子一同拿出来进行排列，直到达到稳定结构。例如，氧原子形成氧气分子（O₂），氧原子和氢原子形成水分子（H₂O），这也就是我们说的共价键。

当金属原子遇到非金属原子时，金属原子最外层电子少，通常会主动送出自己最外层的少数电子，而非金属原子最外层电子多，则接收这些电子。这样，双方都能形成最外层8个电子的稳定结构。这其实也好理解，就如同我们所说的，少数服从多数，为了不大动干戈，让少数派动。失去电子的金属原子变成了带正电的阳离子，得到电子的非金属原子变成了带负电的阴离子。阴阳离子之间由于静电作用相互吸引，结合在一起，就形成了离子化合物。例如，钠原子失去一个电子给氯原子，形成钠离子（Na⁺）和氯离子（Cl⁻），它们组合成了氯化钠（NaCl，也就是食盐）。

电子的行为，尤其是最外层的电子（称为价电子），直接决定了原子的化学性质和反应活性。

当原子的最外层电子数远离8（对于第一层是远离2）时，它们就显得不太稳定，比较躁动活跃，很容易参与化学反应。例如，金属钠（Na）最外层只有1个电子，它非常渴望把这个电子送出去；而氯原子（Cl）最外层有7个电子，它非常渴望得到1个电子来凑满8个。它们属于“电味相投”，一拍即合。

当原子的最外层电子数达到8（对于第一层是2）时，它们就进入了“圆满”状态，非常稳定，不易发生化学反应。像氦（He）、氖（Ne）等稀有气体原子就是这样，它们几乎不和其他物质发生反应，因此也被称为“惰性气体”。

氧化还原反应是常见的化学反应，本质是电子在物质间的转移或偏移，就像是一场电子的旅行。

一个经典的例子：将锌片（Zn）插入硫酸铜（CuSO₄）溶液中。

锌原子（Zn） 比较活泼，它愿意失去2个电子，变身成锌离子（Zn²⁺）进入溶液。失去电子的过程叫氧化。

铜离子（Cu²⁺） 在溶液中，正好得到锌原子提供的2个电子，变身成红色的铜原子（Cu）附着在锌片上。得到电子的过程叫还原。

在溶液（电解质）内部，为了维持电中性，阳离子（如Cu²⁺、H⁺）会向正极（Cu²⁺减少而SO₄²⁻相对过剩，带负电荷）移动，阴离子（如SO₄²⁻）会向负极（因为锌失去电子，带正电荷）移动。

看上去比较绕，总而言之，就是电子在流动，离子也在流动。要的就是流动，电池正是因为有了电子和离子的流动，才应运而生。

三、一次电池

想象一下，电池内部住着两位“性格迥异”的邻居：负极住着一位慷慨的“奉献者”（比如锌），它非常活泼，愿意失去电子（发生氧化反应）；正极则住着一位“接纳者”（比如二氧化锰），它乐于接受电子（发生还原反应）。

这里要说明一下，虽然我们用电池的时候称呼凸起的那一端为正极，平板那一端为负极，但这只是为了我们安装电池时区分方向。真正的正极是石墨棒、二氧化锰等，负极是整个电池的锌质材料筒。

电池出厂时处于“待机”状态，电池生产完成后，正极、负极和电解质等活性物质是分开存在的，彼此间没有发生大规模的化学反应。它们被“封印”在电池内部，处于一种热力学上不稳定但动力学上被暂时隔绝的状态。

所谓热力学上的不稳定，是因为正负极材料都是活性物质，处于高能量状态，之间存在巨大的化学势差，需要通过化学反应达到稳定低能量状态，就好比山顶上的石头，欲欲跃试。

动力学上的稳定是指用钝化膜等给正负极穿了一层防护服，让化学反应缓慢可控，就像石头有滚下山的趋势，但我设置了障碍物，增加了摩擦力。

像锌、锂这类活泼的金属原子，其最外层电子本身束缚就不紧，容易“跑掉”。电池的制造，其实就是把这些本身就有“贡献电子”潜质的材料和容易“接受电子”的材料，通过特定的结构组装起来。回路接通前，这些电子只是“蓄势待发”；回路接通后，它们就在化学能的驱使下开始定向移动了。

当接通电池的正负极时，由于电势差，电子就像热情的舞者，从负极出发，沿着外部电路奔向正极，这股流动的电子流就形成了我们需要的电流。

但故事还没完！如果只有电子移动，电池内部就会因为电荷失衡而“罢工”。这时，电解质就登场了——它像是电池内部的“离子高速公路”，可以传递离子，但不能让电子抄近道，维持电荷平衡并让化学反应持续进行，离子（带电的原子或分子）会通过电解质在正负极之间移动（阴离子流向负极，阳离子流向正极），从而完成整个回路。这样，离子在电解质中穿梭，电子在外部电路奔跑，一场持续的氧化还原反应就保证了电能的稳定输出。

虽然电子从负极经导线和负载（设备）流向正极，但我们过往学习的内容却是电流从正极“流向”负极，这是因为在科学家发现电子前，人们假定电流是“正电荷”，并规定电流从电势高的正极流向电势低的负极，为了不造成混乱，就延续了这一定义。

当正负极某一方活性物质被大量消耗，电池电压下降到无法驱动设备，也就是我们常说的电用完了，一次电池完成了它的使命。

四、二次电池

在现代社会，很多场景下，我们希望电池是可以反复使用的，二次电池便应运而生。从本质上来说，二次电池就是电池内部的化学反应是可逆的。

以常见的锂电池为例，充电时，外部电源给电池施加了一个电压，从正极LiCoO₂强行“拉出”电子（e⁻），同样的，电解质无法让电子通行，这些电子通过外部电路进入到负极；由于电子的出走，导致正极材料中的Li⁺因电荷失衡（失去e⁻的Co³⁺氧化为Co⁴⁺）而游离出来，即：LiCoO2→Li1−xCoO2+xLi++xe−，而游离的Li⁺被负极的低电势（外部电源强制负极富集e⁻）吸引，通过电解液迁移至负极，并与e⁻结合嵌入石墨层间，即：C6+xLi++xe−→LixC6。

就像一个人由于工作的需要，从A城市去往B城市，自己搭乘高铁，行李则被快递公司送达，到B城市时人和行李汇合。

放电时，负极中嵌入的Li⁺因化学势较高（LiₓC₆不稳定）自发脱离，通过电解液回到正极，电子e⁻通过外电路流向正极（达到用电的目的），即：LixC6→C6+xLi++xe−，正极材料（如Li₁₋ₓCoO₂）因获得e⁻和Li⁺而恢复至富锂状态（Co⁴⁺还原为Co³⁺），即：Li1−xCoO2+xLi++xe−→LiCoO2

如此，就完成了一次充电和放电的过程，简言之就是，充电强行让正极的电子暂时呆在负极，放电时（使用时）电子从负极回到正极。

在二次电池中，锂的化合物不同于一次电池中的负极材料金属锂。一次电池中的金属锂，是锂原子被氧化，失去电子，化学反应不可逆；二次电池中的锂化合物，锂离子是从化合物中脱离出来，它只是丢掉行李出了趟差，任务完成后归队。

也正因为锂离子这种循环往复的出差归队，当锂离子所在的晶格空间发生变化时，将无法再容纳锂离子，就像来的时候好好的，结果回不去了。随着越来越多的锂离子无法归队，电池的寿命也就逐步衰减。当然，充电电池容量和寿命衰减的原因很多，如负极材料的破坏，电解质的物理和化学变化等等。因此，我们能做的，就是保持电池的电量在20-80%之间，环境温度保持在合适的范围，以此延缓衰退。

五、结尾

当理解了电池是如何通过离子和电子的移动来储存和释放能量后，就会明白研发和生产是一场对材料与工艺的极致追求。

研发的核心在于材料创新。科学家们在实验室里日夜寻找性能更优的正负极材料和更稳定的电解质，目标很直接：让电池能量密度更高、充电速度更快、寿命更长。每一个新材料的发现，都可能意味着续航里程的一次飞跃。

而到了生产端，故事变成了对绝对均匀和绝对洁净的偏执。电极浆料需要被涂布得厚度一致，分切不能产生任何毛刺，整个流程必须在低湿度的洁净环境中进行。哪怕一粒微米级的粉尘，都可能成为日后短路起火的导火索。这不是小题大做，这是安全底线。

展望未来，路径同样清晰：用固态电解质彻底取代现有的液态电解液，从根本上解决易燃问题，并进一步提升能量密度。我们正走在从液态到半固态、全固态的演进之路上，目标就是打造出更安全、更强大的下一代电池，让能源存储不再是限制我们前进的瓶颈。

这整个过程，就是一场从原子级创新到毫米级制造，最终改变世界的宏大叙事。$赢合科技(SZ300457)$ $锂电池概念(BK0557)$ $电池(BK0096)$ #雪球星计划# #锂电池#