读量子霸权09电池

1. 能量

1.1. 爱迪生

• 1.1.1. 爱迪生是工业和社会电气化背后不知疲倦的推动力

• 1.1.2. 爱迪生青睐于电池

1.2. 福特

• 1.2.1. 福特从以化石燃料为动力的T型车中赚了数百万美元

• 1.2.2. 他所创造的并不是电力，而是以石油为基础的现代工业基础设施

• 1.2.3. 福特则相信石油

1.3. 乍一看，人们可能会认为20世纪工业界的巨头托马斯·爱迪生和亨利·福特应该是死对头

• 1.3.1. 事实却是，爱迪生和福特是十分亲密的朋友

1.4. 一块电池中储存的能量只相当于一加仑汽油中能量的一小部分

• 1.4.1. 最好的电池每千克只能储存约200瓦时的能量

• 1.4.2. 同质量的汽油可以储存12000瓦时

• 1.4.3. 低效、笨拙、脆弱的电池显然无法与为能源匮乏人群设计的廉价、高辛烷值的燃料竞争

1.5. 预测能够提高电池效率的新化学反应是一项重大任务

• 1.5.1. 摩尔定律只适用于计算机芯片，而像电池那样的化学反应是出了名的难以预测

1.6. ​“虚拟化学”有一天可能会取代在化学实验室中艰苦的反复试错

• 1.6.1. 未来，我们不再需要在电池中不厌其烦地测试数百种不同化学物质的性能了，量子计算机将更快、更便宜地模拟它们的性能

2. 太阳能

2.1. 巨大的太阳电池阵列，再加上强大的风车，将捕获太阳能和风能，并提供廉价、可靠的能源

• 2.1.1. 这种能源还是几乎免费的

• 2.1.2. 这简直是人类的梦想

2.2. 问题在于现代电池的局限性

• 2.2.1. 当太阳不照耀、风也不吹时，来自可再生能源的电力就会降至零

• 2.2.2. 可再生能源链中的薄弱环节是储存

  • 2.2.2.1. 如何储存能源以备不时之需

• 2.2.3. 只有当发现新的效率甚至新的化合物时，电池电量才会增长

• 2.2.4. 电池仍然使用20世纪已知的化学反应

  • 2.2.4.1. 如果能够制造出一种效率和功率都更高的超级电池，人类将快速向无碳能源的未来过渡，并减缓全球变暖的进程

3. 电池的历史

3.1. 1786年历史发生了改变，当时物理学家路易吉·加尔瓦尼用一块金属摩擦一条青蛙的断腿

• 3.1.1. 他观察到这条青蛙断腿竟然在抽搐

• 3.1.2. 科学家现在证明电可以驱动肌肉运动

• 3.1.3. 电是理解我们的身体在没有灵魂的情况下如何运动的关键

3.2. 1799年，亚历山德罗·沃尔塔制造了第一个电池，表明人类可以产生化学反应来重现这种效果

3.3. 电池在200多年的时间里并没有发生太大的变化

• 3.3.1. 最简单的电池是从两个金属棒或电极放在不同的杯子里开始的

• 3.3.2. 在两个杯子里都有一种叫作电解质的化学物质，可以发生化学反应

• 3.3.3. 连接两个杯子的是一根管子，离子可以通过管子从一个杯子传递到另一个杯子

• 3.3.4. 由于电解质中的化学反应，电子会离开一个被称为阳极的电极，然后传递到另一个被称为阴极的电极上

• 3.3.5. 电荷的运动必须平衡，因此当带负电荷的电子从阳极传递到阴极时，也有正离子通过电解质连接管进行运动

• 3.3.6. 这些电荷的流动就产生了电

3.4. 几个世纪以来，电池的这种基本设计一直没有发生什么变化，发生变化的只是构成电池的各种化学成分

• 3.4.1. 为了最大限度地提高电压或增加其储能容量，化学家对不同的金属和电解质开展了不厌其烦的实验

4. 锂革命

4.1. 锂离子电池的推出就是一个成功的例子，甚至在市场上掀起了新浪潮

• 4.1.1. 在所有可用电池中它们拥有最高的能量容量

  • 4.1.1.1. 能量密度已经是市场上所有电池中最高的了，但它们仍然只能达到汽油储能的1%

• 4.1.2. 它们也便携、紧凑、稳定且高效

• 4.1.3. 从手机、电脑到大型喷气式客机，锂离子电池几乎可以用于各种形式的电子产品

4.2. 锂离子电池如此便携的根本原因在于锂原子的性质

• 4.2.1. 通过查看元素周期表，我们会发现锂是所有金属中最轻的

• 4.2.2. 如此轻的质量正好满足了人类想要在汽车和飞机上采用轻质电池的要求

4.3. 锂原子的结构是三个电子围绕原子核运转

• 4.3.1. 前两个电子填充了原子的第一能级轨道1S

• 4.3.2. 第三个电子就得以在第二能级轨道上比较活跃地存在，相对更加容易被分离出来并给电池提供能量

4.4. 锂离子电池有一个由石墨材料制成的阳极，一个由锂钴氧化物材料制成的阴极，以及由醚类制成的电解质

4.5. 锂离子电池对世界产生的影响是革命性的，几位发明及完善这项技术的科学家也因此被授予了诺贝尔化学奖

• 4.5.1. 约翰·班尼斯特·古迪纳夫

• 4.5.2. M.斯坦利·惠廷厄姆

• 4.5.3. 吉野彰

5. 超越锂离子电池

5.1. 锂空气电池

• 5.1.1. 作为一个重要候选者，与其他完全密封的电池不同，它可以允许空气流入其中，再通过空气中的氧气与锂的相互作用释放电池的电子

• 5.1.2. 最大优点是，其能量密度能达到锂离子电池的10倍之多

  • 5.1.2.1. 其能量密度也真正能够接近汽油能量密度的水平

  • 5.1.2.2. 因为氧气是从空气中源源不断地免费供给的，而不必依靠必须储存在电池内的那些原料

• 5.1.3. 缺点是使用寿命，锂空气电池的使用寿命只能达到两个月左右的水平

5.2. 超级电池

• 5.2.1. 一种由Skeleton Technologies技术公司和德国卡尔斯鲁厄理工学院创建的混合动力系统

  • 5.2.1.1. 有望在15秒内给电动汽车充满电

• 5.2.2. 超级电池使用的是标准的锂离子电池

• 5.2.3. 超级电池的新颖之处在于，其能够将锂离子电池与电容器相结合，从而有效缩短充电时间

  • 5.2.3.1. 电容器储存静电

  • 5.2.3.2. 最简单的电容器由两个平行的板就能组建起来，一个板带正电，另一个板带负电

  • 5.2.3.3. 电容器的最大优点是既可以储存电能，又能迅速释放

• 5.2.4. 一个超高效的电池可以消除阻碍太阳能时代到来的主要瓶颈：电力的储存

5.3. 电池内部发现的复杂化学反应并不简单遵循任何定律，比如牛顿力学定律

• 5.3.1. 量子计算机也许能够完成这项繁重的任务，模拟复杂的化学反应，而无须实际执行

6. 汽车工业

6.1. 空气动力学的基本方程是众所周知的

• 6.1.1. 与其进行昂贵的风洞测试来减少汽车上的空气摩擦，不如将汽车放入“虚拟风洞”中

• 6.1.2. 即在量子计算机的内存中测试汽车设计的效率，这样更便宜、更方便

  • 6.1.2.1. 这将有助于进行快速分析，从而减少阻力

6.2. 空中客车公司正在使用量子计算机创建一个虚拟风洞，以计算其飞机升降的最节能路径

6.3. 大众汽车也在使用这项技术来计算公交车和出租车在拥堵城市中的最佳路径

6.4. 汽车行业正在投资量子计算机，看看是否可以使用纯数学设计超级电池

6.5. 量子计算机有助于在不破坏环境的情况下，制造更新、更便宜、更强大的电池和汽车

6.6. 通过量子计算探索的几种优化路径

• 6.6.1. 打造更好的汽车电池

• 6.6.2. 确定安装充电站的最佳位置

• 6.6.3. 寻找更有效的方式购买宝马汽车的各种零部件

• 6.6.4. 提高空气动力学性能和安全性