世界上第一个电池的诞生灵感竟是来自于电鳗!


随着世界对大量便携式能源需求的不断增长,许多创新者都在寻求用更好的技术来取代现有的电池技术。


意大利物理学家亚历山德罗·伏特(Alessandro Volta)在1800年发明第一个电池时,利用了基本的电化学原理。从本质上讲,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。电子流代表着可用于发电的便携式能量。


人们用来制造电池的最初材料是铜和锌。当今最好的电池——能够在尽可能小的尺寸内产生最高的电力输出——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,电池技术一直在稳步进步,但现代电池采用的策略与Volta电池相同:将能产生电化学反应的材料配对,并攫取产生的电子。


但正如《火花》一书中所描述的:电的生命和生命的电甚至在人造电池开始产生电流之前,电鱼,例如地中海的咸水鱼雷鱼,特别是南美洲的各种淡水电鳗(裸子目),就已经众所周知能产生惊人的电流。事实上,电鱼启发了Volta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指望这些电动物的想法。

模仿鳗鱼的电子器官


在Volta发明电池之前,人们产生电能的唯一方法是摩擦各种材料,通常是在玻璃上摩擦丝,然后捕捉产生的静电。这是一种既不容易也不实际的产生有用电力的方法。


伏特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方式,他也许能找到一种新颖的发电方式。


鱼的电子器官是由长叠的细胞组成的,看起来很像一卷硬币。因此,伏特从各种材料的薄片上剪下了像硬币一样的圆盘,并开始以不同的顺序将它们堆叠起来,看看他是否能找到任何组合来发电。这些堆叠实验不断产生负面的结果,直到他尝试将铜片与锌片配对,同时将堆叠的铜片与浸过盐水的纸片分开。


这一系列的铜锌纸碰巧产生了电力,而电力输出与堆栈的高度成正比。Volta认为他已经发现了鳗鱼如何发电的秘密,他实际上已经制造出了一种人造的鱼的电器官,所以他最初称他的发现为“人造电器官”。但事实并非如此。


是什么让鳗鱼带电呢


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,鳗鱼使用的方法与我们的神经细胞产生电信号的方式相似,但规模更大。

电鳗的电器官内的特化细胞将离子泵过半透膜屏障,从而在膜内外产生电荷差。当膜上的微观栅极打开时,离子从膜的一边快速流动到另一边,就会产生电流。鳗鱼能够同时随意打开所有的膜门,产生巨大的电流,并以有针对性的方式释放给猎物。


电鳗不会将猎物电击致死,他们只是在攻击前电击它。一条电鳗可以产生数百伏特的电流(美国家用电源是110伏特),但是电鳗的电压在足够长的时间内不能产生足够的电流(安培)来杀死人。电鳗发出的每一个电脉冲仅持续千分之二秒,传输的电流不到1安培。这仅仅是家庭用电安培的5%。


这类似于电网的工作原理,提供非常短的高压电流脉冲,但电流非常低。因此,它们会惊吓但不会杀死试图通过它们的熊或其他动物入侵者。它也类似于现代的泰瑟电击武器,它的工作原理是快速发送极高压脉冲(约50,000伏特),携带非常低的安培(只有几毫安)。


模仿鳗鱼的现代尝试


像Volta一样,一些现代电子科学家试图改变电池技术,他们在电鳗身上找到了灵感。


一组来自美国和瑞士的科学家目前正在研究一种受鳗鱼启发的新型电池。他们设想,他们的软而灵活的电池可能有一天会在为医疗植入物和软机器人提供内部动力方面发挥作用。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;他们的发电能力比我们强得多。”来自弗里堡大学的团队成员迈克尔·梅尔哀叹道。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。在授奖时,瑞典皇家科学院(Royal Swedish Academy of Sciences)宣称,获奖者的工作“为无线、无化石燃料社会奠定了基础”。


“无线”部分是绝对正确的,因为现在几乎所有的手持无线设备都由锂离子电池供电。关于“无化石燃料社会”的说法,我们还得拭目以待,因为今天的锂离子电池通常是通过燃烧化石燃料来充电的。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,这是地球上已知最强的生物发电机。研究人员记录了一只电鳗的放电电压为860伏特,远高于之前保持记录的电鳗物种——电鳗650伏特,是单个锂离子电池(4.2伏特)的最高电压的200倍。


正当我们人类试图为我们最新的便携式能源的伟大之处而庆贺时,电鳗继续用它们的能源来羞辱我们。



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