隨著世界對大量便攜式能源的需求以越來越快的速度增長，許多創(chuàng)新者都在尋求用更好的電池技術(shù)來取代當前的電池技術(shù)。物理學(xué)家亞歷山德羅·沃爾塔在1800年發(fā)明了第一個電池時利用了基本的電化學(xué)原理?；旧?，兩種不同材料(通常是金屬)的物理連接會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致電子從一種材料流向另一種材料。電子流代表可用于發(fā)電的便攜式能量。

人們用來制造電池的第一種材料是銅和鋅。當今最好的電池——以盡可能小的尺寸產(chǎn)生最高電力輸出的電池——將金屬鋰與幾種不同金屬化合物中的一種配對。幾個世紀以來一直在穩(wěn)步改進，但現(xiàn)代電池依賴于與Volta相同的策略：將能夠產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)并奪取產(chǎn)生的電子的材料配對。

但正如我在《火花：電的生命和生命的電》一書中所描述的，甚至在人造電池開始產(chǎn)生電流之前，電魚，如地中海的咸水魚雷魚(Torpedotorpedo)，尤其是各種眾所周知，南美洲的淡水電鰻(Gymnotiformes目)會產(chǎn)生驚人比例的電輸出。事實上，電魚啟發(fā)了沃爾塔進行最初的研究，最終導(dǎo)致了他的電池，今天的電池科學(xué)家仍然在尋找這些帶電動物的想法。

復(fù)制鰻魚的電器官

在Volta的電池出現(xiàn)之前，人們發(fā)電的唯一方法是將各種材料(通常是絲綢在玻璃上)摩擦在一起，并捕獲由此產(chǎn)生的靜電。這既不是一種簡單實用的方式來產(chǎn)生有用的電力。

沃爾特知道電魚有一個專門用于發(fā)電的內(nèi)部器官。他推斷，如果他能模仿它的工作原理，他或許能夠找到一種新的發(fā)電方式。

魚的電子器官由一長串細胞組成，看起來很像一卷硬幣。所以沃爾特從各種材料的薄片上剪下硬幣狀的圓盤，然后開始按不同的順序堆疊它們，看看他是否能找到任何可以發(fā)電的組合。這些堆疊實驗一直產(chǎn)生負面結(jié)果，直到他嘗試將銅盤與鋅盤配對，同時將堆疊的對與用鹽水潤濕的紙盤分開。

這種銅鋅紙的順序偶然產(chǎn)生了電力，并且電力輸出與堆疊的高度成正比。沃爾特認為他已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了鰻魚發(fā)電的秘密，并且他實際上已經(jīng)制造了一種人工版本的魚電器官，因此他最初將他的發(fā)現(xiàn)稱為“人工電器官”。但事實并非如此。

是什么讓鰻魚真正令人興奮

科學(xué)家們現(xiàn)在知道Volta發(fā)現(xiàn)的不同材料之間的電化學(xué)反應(yīng)與電鰻發(fā)電的方式無關(guān)。相反，鰻魚使用的方法類似于我們的神經(jīng)細胞產(chǎn)生電信號的方式，但規(guī)模要大得多。

鰻魚電動器官內(nèi)的專門細胞將離子泵送穿過半透膜屏障，從而在膜內(nèi)部和外部之間產(chǎn)生電荷差。當膜中的微觀門打開時，離子從膜的一側(cè)到另一側(cè)的快速流動會產(chǎn)生電流。鰻魚能夠同時打開所有的膜門，以產(chǎn)生巨大的電流，并以有針對性的方式向獵物釋放。

電鰻不會將獵物電死;他們只是在攻擊前電擊它。一條鰻魚可以產(chǎn)生數(shù)百伏的電力(美國家庭插座為110伏)，但鰻魚的電壓在足夠長的時間內(nèi)無法推動足夠的電流(安培數(shù))來殺死。來自鰻魚的每個電脈沖僅持續(xù)千分之幾秒，并提供不到1安培的電流。這只是家庭安培數(shù)的5%。

這類似于電圍欄的工作方式，提供非常短的高壓電脈沖，但電流非常低。因此，它們會震驚但不會殺死試圖通過它們的熊或其他動物入侵者。它也類似于現(xiàn)代泰瑟電擊武器，它的工作原理是快速提供極低電流(僅幾毫安)的極高電壓脈沖(約50,000伏)。

模仿鰻魚的現(xiàn)代嘗試

與Volta一樣，一些尋求改變電池技術(shù)的現(xiàn)代電氣科學(xué)家在電鰻中找到了靈感。

一個來自美國和瑞士的科學(xué)家團隊目前正在研究一種以鰻魚為靈感的新型電池。他們設(shè)想，他們?nèi)彳浂`活的電池有一天可能會用于為醫(yī)療植入物和軟機器人內(nèi)部供電。但該團隊承認他們還有很長的路要走。“鰻魚體內(nèi)的電子器官非常復(fù)雜;它們在發(fā)電方面比我們好得多，”弗里堡大學(xué)的團隊成員邁克爾·梅耶爾感嘆道。因此，鰻魚研究仍在繼續(xù)。

2019年，諾貝爾化學(xué)獎授予了開發(fā)鋰離子電池的三位科學(xué)家。在授予該獎項時，瑞典皇家科學(xué)院聲稱獲獎?wù)叩墓ぷ?ldquo;為無線、無化石燃料社會奠定了基礎(chǔ)”。

“無線”部分絕對正確，因為鋰離子電池現(xiàn)在幾乎可以為所有手持無線設(shè)備供電。對于“無化石燃料社會”的說法，我們將不得不拭目以待，因為今天的鋰離子電池通常使用燃燒化石燃料產(chǎn)生的電能進行充電。沒有提到電鰻的貢獻。

同年晚些時候，史密森學(xué)會的科學(xué)家宣布他們發(fā)現(xiàn)了一種新的南美電鰻物種。這一臺是地球上已知最強的生物發(fā)電器。研究人員記錄了一條鰻魚在860伏的放電電壓，遠高于之前保持記錄的鰻魚物種Electrophoruselectricus的放電電壓，后者的時鐘電壓為650伏，比單個鋰離子的最高電壓高200倍電池(4.2伏)。

正如我們?nèi)祟愒噲D祝賀我們最新的便攜式能源的偉大一樣，電鰻繼續(xù)用它們的能量來謙卑我們。

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