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电鳗激发了第一块电池的灵感,现在为未来的电池技术指明了方向

2022-05-31    阅读量:30092    新闻来源:互联网     |  投稿

随着世界对大量便携式能源的需求不断增长,许多创新者已寻求用更好的技术取代当前的电池技术。

1800年,意大利物理学家亚历山德罗·沃尔塔发明了第一块电池,他利用了基本的电化学原理。本质上,两种不同材料(通常是金属)的物理连接会产生化学反应,导致电子从一种材料流向另一种材料。这股电子流代表着可以用来发电的便携式能源。

人们用来制造电池的第一批材料是铜和锌。当今最好的电池鈥攖以尽可能小的尺寸产生最大电输出的软管鈥?将金属锂与几种不同的金属化合物中的一种配对。几个世纪以来,电池不断改进,但现代电池采用的策略与Volta相同:将能够产生电化学反应的材料配对,并捕获产生的电子。

但正如我在《火花:电的生命和生命的电》一书中所描述的,甚至在人造电池开始产生电流之前,例如地中海的咸水鱼雷,尤其是南美洲的各种淡水电鳗(裸子目),都能产生惊人的电输出。事实上,电鱼激发了沃尔塔进行最初的研究,最终导致了他的电池,而今天的电池科学家仍然在寻找这些带电动物的想法。

复制鳗鱼的电器官

在沃尔塔发明电池之前,人们发电的唯一方法是将各种材料摩擦在一起,通常是玻璃上的丝绸,并捕获由此产生的静电。这既不是一种简单实用的发电方式。

沃尔塔知道电鱼有一个专门用来发电的内部器官。他推断,如果他能模仿它的工作原理,他可能会找到一种新的发电方式。

鱼的电器官由长长的细胞堆组成,看起来很像一卷硬币。因此,沃尔塔从各种材料的薄片上切下硬币状的圆盘,开始按不同的顺序堆叠,看看是否能找到任何能产生电的组合。这些堆叠实验不断产生负面结果,直到他尝试将铜圆盘与锌圆盘配对,同时用盐水浸湿的纸圆盘分离堆叠的圆盘。

这一系列的铜锌纸偶然产生了电,电输出与纸堆的高度成比例。沃尔塔认为他已经揭开了鳗鱼如何发电的秘密,而且他实际上已经制造出了一种人工版本的鱼的电器官,因此他最初称他的发现为“人工电器官”但事实并非如此。

是什么让鳗鱼兴奋

科学家现在知道,沃尔特发现的不同材料之间的电化学反应与电鳗发电的方式无关。相反,鳗鱼使用的方法与我们的神经细胞产生电信号的方式相似,但规模要大得多。

鳗鱼电动器官内的特殊细胞将离子泵过半透膜屏障,在膜内外产生电荷差。当膜中的微观门打开时,离子从膜的一侧快速流向另一侧,产生电流。鳗鱼能够同时随意打开所有的膜闸门,产生巨大的电能,并以有针对性的方式释放到猎物身上。

电鳗不会将猎物电击致死;他们只是在攻击前用电击昏它。鳗鱼可以产生数百伏特的电(美国家庭插座为110伏特),但鳗鱼的电压在足够长的时间内不会产生足够的电流(安培数)而导致死亡。鳗鱼发出的每一个电脉冲持续时间仅为千分之几秒,输出电流小于1安培。这仅仅是家庭电流的5%。

这与电栅栏的工作原理相似,它提供非常短的高压电脉冲,但安培数非常低。因此,它们会震惊,但不会杀死熊或其他试图穿过它们的动物入侵者。它也类似于现代的泰瑟电击武器,它的工作原理是快速发射极高压脉冲(约50000伏),携带极低的安培数(仅几毫安)。

模仿鳗鱼的现代尝试

像沃尔塔一样,一些寻求改变电池技术的现代电气科学家从电鳗身上找到了灵感。

一个来自美国和瑞士的科学家团队目前正在研究一种以鳗鱼为灵感的新型电池。他们设想,他们的软而灵活的电池有朝一日可能会对医疗植入物和软机器人的内部供电有用。但该团队承认,他们还有很长的路要走。弗里堡大学的研究小组成员迈克尔·梅耶(MichaelMayer)哀叹道:“鳗鱼的电器官极其复杂;它们比我们更善于发电。”。因此,鳗鱼研究仍在继续。

2019年,诺贝尔化学奖授予了开发锂离子电池的三位科学家。瑞典皇家科学院(RoyalSwedish Academy of Sciences)在授予该奖项时声称,获奖者的工作“奠定了无线、无化石燃料社会的基础”

“无线”部分绝对正确,因为锂离子电池现在几乎为所有手持无线设备供电。对于“无化石燃料社会”的说法,我们只能拭目以待,因为今天的锂离子电池是用燃烧化石燃料产生的电来充电的。没有提到电鳗的贡献。

同年晚些时候,史密森学会的科学家宣布他们发现了一种新的南美电鳗;这是地球上已知的最强的生物发电机。研究人员记录了一条鳗鱼在860伏电压下的放电情况,远远高于之前保持记录的鳗鱼品种Electroporus electricus,该品种的放电电压为650伏,比单个锂离子电池的最高电压(4.2伏)高出200倍。

正如我们人类试图为我们最新的便携式能源的伟大而庆贺自己一样,电鳗继续用它们的能源来谦逊我们。

本文是根据知识共享许可证从对话中重新发布的。阅读原文。

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