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电鳗启发了第一个电池现在为未来的电池技术指明了方向

导读随着世界对大量便携式能源的需求以越来越快的速度增长,许多创新者都在寻求用更好的电池技术来取代当前的电池技术。物理学家亚历山德罗·沃...

随着世界对大量便携式能源的需求以越来越快的速度增长,许多创新者都在寻求用更好的电池技术来取代当前的电池技术。物理学家亚历山德罗·沃尔塔在1800年发明了第一个电池时利用了基本的电化学原理。基本上,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。电子流代表可用于发电的便携式能量。

人们用来制造电池的第一种材料是铜和锌。当今最好的电池——以尽可能小的尺寸产生最高电力输出的电池——将金属锂与几种不同金属化合物中的一种配对。几个世纪以来一直在稳步改进,但现代电池依赖于与Volta相同的策略:将能够产生电化学反应并夺取产生的电子的材料配对。

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,电鱼,如地中海的咸水鱼雷鱼(Torpedotorpedo),尤其是各种众所周知,南美洲的淡水电鳗(Gymnotiformes目)会产生惊人比例的电输出。事实上,电鱼启发了沃尔塔进行最初的研究,最终导致了他的电池,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Volta的电池出现之前,人们发电的唯一方法是将各种材料(通常是丝绸在玻璃上)摩擦在一起,并捕获由此产生的静电。这既不是一种简单实用的方式来产生有用的电力。

沃尔特知道电鱼有一个专门用于发电的内部器官。他推断,如果他能模仿它的工作原理,他或许能够找到一种新的发电方式。

鱼的电子器官由一长串细胞组成,看起来很像一卷硬币。所以沃尔特从各种材料的薄片上剪下硬币状的圆盘,然后开始按不同的顺序堆叠它们,看看他是否能找到任何可以发电的组合。这些堆叠实验一直产生负面结果,直到他尝试将铜盘与锌盘配对,同时将堆叠的对与用盐水润湿的纸盘分开。

这种铜锌纸的顺序偶然产生了电力,并且电力输出与堆叠的高度成正比。沃尔特认为他已经发现了鳗鱼发电的秘密,并且他实际上已经制造了一种人工版本的鱼电器官,因此他最初将他的发现称为“人工电器官”。但事实并非如此。

是什么让鳗鱼真正令人兴奋

科学家们现在知道Volta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,鳗鱼使用的方法类似于我们的神经细胞产生电信号的方式,但规模要大得多。

鳗鱼电动器官内的专门细胞将离子泵送穿过半透膜屏障,从而在膜内部和外部之间产生电荷差。当膜中的微观门打开时,离子从膜的一侧到另一侧的快速流动会产生电流。鳗鱼能够同时打开所有的膜门,以产生巨大的电流,并以有针对性的方式向猎物释放。

电鳗不会将猎物电死;他们只是在攻击前电击它。一条鳗鱼可以产生数百伏的电力(美国家庭插座为110伏),但鳗鱼的电压在足够长的时间内无法推动足够的电流(安培数)来杀死。来自鳗鱼的每个电脉冲仅持续千分之几秒,并提供不到1安培的电流。这只是家庭安培数的5%。

这类似于电围栏的工作方式,提供非常短的高压电脉冲,但电流非常低。因此,它们会震惊但不会杀死试图通过它们的熊或其他动物入侵者。它也类似于现代泰瑟电击武器,它的工作原理是快速提供极低电流(仅几毫安)的极高电压脉冲(约50,000伏)。

模仿鳗鱼的现代尝试

与Volta一样,一些寻求改变电池技术的现代电气科学家在电鳗中找到了灵感。

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,他们柔软而灵活的电池有一天可能会用于为医疗植入物和软机器人内部供电。但该团队承认他们还有很长的路要走。“鳗鱼体内的电子器官非常复杂;它们在发电方面比我们好得多,”弗里堡大学的团队成员迈克尔·梅耶尔感叹道。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。在授予该奖项时,瑞典皇家科学院声称获奖者的工作“为无线、无化石燃料社会奠定了基础”。

“无线”部分绝对正确,因为锂离子电池现在几乎可以为所有手持无线设备供电。对于“无化石燃料社会”的说法,我们将不得不拭目以待,因为今天的锂离子电池通常使用燃烧化石燃料产生的电能进行充电。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物种。这一台是地球上已知最强的生物发电器。研究人员记录了一条鳗鱼在860伏的放电电压,远高于之前保持记录的鳗鱼物种Electrophoruselectricus的放电电压,后者的时钟电压为650伏,比单个锂离子的最高电压高200倍电池(4.2伏)。

正如我们人类试图祝贺我们最新的便携式能源的伟大一样,电鳗继续用它们的能量来谦卑我们。

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