伍迪·艾倫的電影《午夜巴黎》里，男主角無(wú)限迷戀上世紀(jì)20年代的巴黎，對(duì)于一個(gè)寫文章為生的人，與這些名人中的任何一位聊上半個(gè)小時(shí)，也許都會(huì)受益匪淺。
不過(guò)，如果男主角打算把這一番談話中得到的靈感化為文字，我不太相信他仍然想留在上世紀(jì)20年代，畢竟那時(shí)的作家如果不用鋼筆，就只有笨重而常常出故障的打字機(jī)可用，而21世紀(jì)的作家則可以借助筆記本電腦，在幾乎任何地方進(jìn)行創(chuàng)作。這樣的便利，還要拜電力的應(yīng)用和電池技術(shù)的發(fā)展所賜。
然而，今天的電池技術(shù)仍然有太多的缺點(diǎn)。從應(yīng)用的角度說(shuō)，雖然各式各樣的鋰離子電池已經(jīng)基本解決了過(guò)去電池的壽命短、輸出電壓低、充電記憶效應(yīng)、對(duì)外界環(huán)境要求高等問(wèn)題，但是它在大功率放電時(shí)容易發(fā)熱甚至自燃的缺點(diǎn)仍然限制了它的應(yīng)用。
從環(huán)境的角度，雖然一般消費(fèi)者使用的鋰離子電池對(duì)環(huán)境并沒(méi)有太大危害，但如果我們希望提高電池的能量密度，就可能需要在鋰電池中使用具有毒性的物質(zhì)，而目前在一些場(chǎng)合必須使用的鉛酸電池和鎳鎘電池，其重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)更是廣為人知。
有沒(méi)有可能制造出更加環(huán)境友好的電池呢?在關(guān)注這個(gè)問(wèn)題之前，讓我們先來(lái)回顧一下中學(xué)時(shí)在化學(xué)課上學(xué)到的電池原理。電池可以定義為以化學(xué)形式儲(chǔ)存能量，并能在需要時(shí)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。與我們的直覺(jué)不同，電池中儲(chǔ)存的并不是電能，而是化學(xué)能。
電池的兩個(gè)電極中，一個(gè)允許電子逃逸，被稱為陽(yáng)極，另一個(gè)則接受電子，被稱為陰極。電池放電，就是陽(yáng)極放出電子，而陰極接受電子的過(guò)程，也就是陽(yáng)極和陰極通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。
實(shí)際應(yīng)用中，電極多少都會(huì)與電解液發(fā)生一些我們不需要的化學(xué)反應(yīng)，或者被電解液部分溶解，造成放置在電路之外的電池正負(fù)極之間的電壓降低，這被稱為自放電。我們?cè)谏钪袑?duì)此都有體會(huì)，比如充滿后長(zhǎng)時(shí)間不用的手機(jī)電池，重新開始用的時(shí)候發(fā)現(xiàn)只有原來(lái)四分之三甚至一半的電。
目前的電池都不能避免自放電，而可充電電池的自放電現(xiàn)象比不可充電的電池更顯著一些。這就是為什么我們過(guò)去買的鎳鎘充電電池都要充滿才能使用，因?yàn)樗總€(gè)月自放電就可能放掉20%的能量，而自放電較少的鋰電池和鎳氫電池就不一定要這樣做。
許多化學(xué)反應(yīng)都可以看做是電子在不同物質(zhì)間交換的過(guò)程，可以做電解液的溶液也很多，因此許多金屬及化合物的組合都可能組成原電池。但是，實(shí)際應(yīng)用要求電池能夠持續(xù)地以一定電壓提供電能，或者能夠提供高電壓的瞬時(shí)輸出，還需要達(dá)到一定的能量密度要求，此外還要考慮環(huán)保、健康和成本。
所以，雖然原電池裝置的種類很多，但適合生產(chǎn)實(shí)際使用的電池的技術(shù)卻很少。或者也可以說(shuō)，正是因?yàn)橛心敲炊喾N原電池，在其中挑選能夠滿足人們需要的電池技術(shù)才像大海撈針那樣困難。
當(dāng)我們面對(duì)紛繁復(fù)雜的選擇不知從何下手的時(shí)候，看看自然界如何應(yīng)對(duì)類似的問(wèn)題，往往有可能給我們指出一條捷徑。畢竟在漫長(zhǎng)的變異、選擇和進(jìn)化過(guò)程中，整個(gè)自然界都在探索更有效率的收集、儲(chǔ)存和釋放能量的方式。
來(lái)自波蘭和瑞典的科學(xué)家就想到了這一點(diǎn)，他們注意到，一些植物和微生物在光合作用過(guò)程中，利用醌類化合物運(yùn)送帶正電的質(zhì)子和帶負(fù)電的電子。醌類化合物是在苯環(huán)或萘環(huán)上用偶數(shù)個(gè)氧原子取代氫原子獲得的產(chǎn)物，其中氧原子和碳原子形成的雙化學(xué)鍵可以方便地與其他物質(zhì)結(jié)合。在這一過(guò)程中形成的物質(zhì)可能具有很高的能量密度。
但是，有這樣高的電荷密度是一回事，怎樣實(shí)現(xiàn)醌類的氧化還原從而把它做成電池又是另一回事。而且，醌類純物質(zhì)的價(jià)格也不低，從哪里獲取便宜的原料呢?這些問(wèn)題的答案可能還在我們周圍的植物里。科學(xué)家們提出，植物的木質(zhì)素中有大量的酚類基團(tuán)，在進(jìn)行氧化后，這部分有機(jī)物就能轉(zhuǎn)化為醌類基團(tuán)。雖然這樣得到的材料本身并不能作為電極，但與具有導(dǎo)電性和離子傳遞能力的物質(zhì)結(jié)合起來(lái)，就可能得到可用的電極材料。
在實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們使用一種叫做多吡咯的物質(zhì)與氧化后的木質(zhì)素組成復(fù)合材料，制造出了多層聚合物電極。在這種電極中，木質(zhì)素氧化物中的醌類基團(tuán)負(fù)責(zé)儲(chǔ)存電荷，多吡咯負(fù)責(zé)運(yùn)送電荷，其電荷密度可以達(dá)到每克70~90毫安時(shí)，相當(dāng)或略優(yōu)于目前的鋰離子電池的水平。
因?yàn)槭峭ㄟ^(guò)氧化木質(zhì)素而非使用純物質(zhì)來(lái)制造，這種電極有望以非常低的成本制造出來(lái)，而且也不像礦物電極那樣需要擔(dān)心資源枯竭的問(wèn)題。最妙的是，木質(zhì)素在植物中的含量?jī)H次于纖維素，可占20%~28%，但過(guò)去很少得到利用，比如制漿造紙工業(yè)中，木質(zhì)素幾乎完全以“黑液”的形式被丟棄，而這些“黑液”完全可以被用到聚合物電池的制造過(guò)程中，幾乎不產(chǎn)生原料成本，同時(shí)又解決了相當(dāng)一部分造紙行業(yè)的污染問(wèn)題。
目前，木質(zhì)素電池雖然在實(shí)驗(yàn)室展現(xiàn)了一些很吸引人的特性，但離實(shí)際變成產(chǎn)品還有很長(zhǎng)的路要走。而且，現(xiàn)在它的自放電效應(yīng)還很顯著，在能量密度上也沒(méi)有體現(xiàn)出相對(duì)于鋰電池的明顯優(yōu)勢(shì)。但提出這個(gè)概念的科學(xué)家認(rèn)為，通過(guò)選擇不同的電解液和木質(zhì)素的不同處理方法，我們有希望進(jìn)一步優(yōu)化木質(zhì)素電池，使其成為市場(chǎng)上一種有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。
研究這一課題的科學(xué)家也提出，來(lái)自不同植物的木質(zhì)素也可能對(duì)電池的性能產(chǎn)生影響。不妨想象，這種電池的投產(chǎn)，也許能為某些入侵植物的清除提供一些經(jīng)濟(jì)激勵(lì)，而在我們找到最理想的木質(zhì)素原料之前，這種電池的研究也為植物多樣性的保護(hù)提供了一個(gè)理由。
