鋰電池”，是一類(lèi)由鋰金屬或鋰合金為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。1912年鋰金屬電池最早由Gilbert N. Lewis提出并研究。20世紀(jì)70年代時(shí)，M. S. Whittingham提出并開(kāi)始研究鋰離子電池。由于鋰金屬的化學(xué)特性非常活潑，使得鋰金屬的加工、保存、使用，對(duì)環(huán)境要求非常高。所以，鋰電池長(zhǎng)期沒(méi)有得到應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在鋰電池已經(jīng)成為了主流。

鋰電池大致可分為兩類(lèi)：鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰離子電池不含有金屬態(tài)的鋰，并且是可以充電的。可充電電池的第五代產(chǎn)品鋰金屬電池在1996年誕生，其安全性、比容量、自放電率和性能價(jià)格比均優(yōu)于鋰離子電池。由于其自身的高技術(shù)要求限制，現(xiàn)在只有少數(shù)幾個(gè)國(guó)家的公司在生產(chǎn)這種鋰金屬電池。

工作原理

鋰金屬電池：

鋰金屬電池一般是使用二氧化錳為正極材料、金屬鋰或其合金金屬為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。

放電反應(yīng)：Li+MnO2=LiMnO2

鋰離子電池：

鋰離子電池一般是使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)的電池。

充電正極上發(fā)生的反應(yīng)為

LiCoO2==Li(1-x)CoO2+XLi++Xe-(電子)

充電負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)為

6C+XLi++Xe-=LixC6

充電電池總反應(yīng)：LiCoO2+6C=Li(1-x)CoO2+LixC6

正極

正極材料：可選的正極材料很多，主流產(chǎn)品多采用鋰鐵磷酸鹽。不同的正極材料對(duì)照：

正極反應(yīng)：放電時(shí)鋰離子嵌入，充電時(shí)鋰離子脫嵌。 充電時(shí)：LiFePO4 → Li1-xFePO4 + xLi+ + xe-放電時(shí)：Li1-xFePO4 + xLi+ + xe- → LiFePO4。

負(fù)極

負(fù)極材料：多采用石墨。新的研究發(fā)現(xiàn)鈦酸鹽可能是更好的材料。

負(fù)極反應(yīng)：放電時(shí)鋰離子脫嵌，充電時(shí)鋰離子嵌入。

充電時(shí)：xLi+ + xe- + 6C → LixC6

放電時(shí)：LixC6 → xLi+ + xe- + 6C

早期研發(fā)

鋰電池最早期應(yīng)用在心臟起搏器中。鋰電池的自放電率極低，放電電壓平緩等優(yōu)點(diǎn)，使得植入人體的起搏器能夠長(zhǎng)期運(yùn)作而不用重新充電。鋰電池一般有高于3.0伏的標(biāo)稱電壓，更適合作集成電路電源。二氧化錳電池，就廣泛用于計(jì)算器，數(shù)碼相機(jī)、手表中。

為了開(kāi)發(fā)出性能更優(yōu)異的品種，人們對(duì)各種材料進(jìn)行了研究，從而制造出前所未有的產(chǎn)品。

1992年Sony成功開(kāi)發(fā)鋰離子電池。它的實(shí)用化，使人們的移動(dòng)電話、筆記本、計(jì)算器等攜帶型電子設(shè)備的重量和體積大大減小。

發(fā)展進(jìn)程

1、1970年代埃克森的M.S.Whittingham采用硫化鈦?zhàn)鳛檎龢O材料，金屬鋰作為負(fù)極材料，制成首個(gè)鋰電池。

2、1980年，J. Goodenough 發(fā)現(xiàn)鈷酸鋰可以作為鋰離子電池正極材料。

3、1982年伊利諾伊理工大學(xué)(the Illinois Institute of Technology)的R.R.Agarwal和J.R.Selman發(fā)現(xiàn)鋰離子具有嵌入石墨的特性，此過(guò)程是快速的，并且可逆。與此同時(shí)，采用金屬鋰制成的鋰電池，其安全隱患備受關(guān)注，因此人們嘗試?yán)娩囯x子嵌入石墨的特性制作充電電池。首個(gè)可用的鋰離子石墨電極由貝爾實(shí)驗(yàn)室試制成功。

4、1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人發(fā)現(xiàn)錳尖晶石是優(yōu)良的正極材料，具有低價(jià)、穩(wěn)定和優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)鋰性能。其分解溫度高，且氧化性遠(yuǎn)低于鈷酸鋰，即使出現(xiàn)短路、過(guò)充電，也能夠避免了燃燒、爆炸的危險(xiǎn)。

5、1989年，A.Manthiram和J.Goodenough發(fā)現(xiàn)采用聚合陰離子的正極將產(chǎn)生更高的電壓。

6、1991年索尼公司發(fā)布首個(gè)商用鋰離子電池。隨后，鋰離子電池革新了消費(fèi)電子產(chǎn)品的面貌。

7、1996年P(guān)adhi和Goodenough發(fā)現(xiàn)具有橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鹽，如磷酸鋰鐵(LiFePO4)，比傳統(tǒng)的正極材料更具優(yōu)越性，因此已成為當(dāng)前主流的正極材料。

隨著數(shù)碼產(chǎn)品如手機(jī)、筆記本電腦等產(chǎn)品的廣泛使用，鋰離子電池以優(yōu)異的性能在這類(lèi)產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，并在逐步向其他產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。1998年，天津電源研究所開(kāi)始商業(yè)化生產(chǎn)鋰離子電池。習(xí)慣上，人們把鋰離子電池也稱為鋰電池，但這兩種電池是不一樣的。鋰離子電池已經(jīng)成為了主流。

種類(lèi)

電池材料

碳負(fù)極材料

已經(jīng)實(shí)際用于鋰離子電池的負(fù)極材料基本上都是碳素材料，如人工石墨、天然石墨、中間相碳微球、石油焦、碳纖維、熱解樹(shù)脂碳等。

錫基負(fù)極材料

錫基負(fù)極材料可分為錫的氧化物和錫基復(fù)合氧化物兩種。氧化物是指各種價(jià)態(tài)金屬錫的氧化物。沒(méi)有商業(yè)化產(chǎn)品。

合金類(lèi)

包括錫基合金、硅基合金、鍺基合金、鋁基合金、銻基合金、鎂基合金和其它合金 ，也沒(méi)有商業(yè)化產(chǎn)品。

納米級(jí)

納米碳管、納米合金材料。

納米氧化物

目前根據(jù)2009年鋰電池新能源行業(yè)的市場(chǎng)發(fā)展最新動(dòng)向，諸多公司已經(jīng)開(kāi)始使用納米氧化鈦和納米氧化硅添加在以前傳統(tǒng)的石墨，錫氧化物，納米碳管里面，極大地提高鋰電池的充放電量和充放電次數(shù)。

電池鼓殼

外殼特性

鋰，原子序數(shù)3，原子量6.941，是最輕的堿金屬元素。為了提升安全性及電壓，科學(xué)家們發(fā)明了用石墨及鈷酸鋰等材料來(lái)儲(chǔ)存鋰原子。這些材料的分子結(jié)構(gòu)，形成了納米等級(jí)的細(xì)小儲(chǔ)存格子，可用來(lái)儲(chǔ)存鋰原子。這樣一來(lái)，即使是電池外殼破裂，氧氣進(jìn)入，也會(huì)因氧分子太大，進(jìn)不了這些細(xì)小的儲(chǔ)存格，使得鋰原子不會(huì)與氧氣接觸而避免爆炸。

保護(hù)措施

鋰電池芯過(guò)充到電壓高于 4.2V 后，會(huì)開(kāi)始產(chǎn)生副作用。過(guò)充電壓愈高，危險(xiǎn)性也跟著愈高。鋰電芯電壓 高于 4.2V 后， 正極材料內(nèi)剩下的鋰原子數(shù)量不到一半， 此時(shí)儲(chǔ)存格常會(huì)垮掉， 讓電池容量產(chǎn)生永久性的下降。 如果繼續(xù)充電，由于負(fù)極的儲(chǔ)存格已經(jīng)裝滿了鋰原子，后續(xù)的鋰金屬會(huì)堆積于負(fù)極材料表面。這些鋰原子會(huì) 由負(fù)極表面往鋰離子來(lái)的方向長(zhǎng)出樹(shù)枝狀結(jié)晶。這些鋰金屬結(jié)晶會(huì)穿過(guò)隔膜紙，使正負(fù)極短路。有時(shí)在短路 發(fā)生前電池就先爆炸，這是因?yàn)樵谶^(guò)充過(guò)程，電解液等材料會(huì)裂解產(chǎn)生氣體，使得電池外殼或壓力閥鼓漲破 裂，讓氧氣進(jìn)去與堆積在負(fù)極表面的鋰原子反應(yīng)，進(jìn)而爆炸。

因此，鋰電池充電時(shí)，一定要設(shè)定電壓上限， 才可以同時(shí)兼顧到電池的壽命、容量、和安全性。最理想的充電電壓上限為 4.2V。 鋰電芯放電時(shí)也要有電壓下限。 當(dāng)電芯電壓低于 2.4V 時(shí)， 部分材料會(huì)開(kāi)始被破壞。 又由于電池會(huì)自放電， 放愈久電壓會(huì)愈低，因此，放電時(shí)最好不要放到 2.4V 才停止。鋰電池從 3.0V 放電到 2.4V 這段期間，所釋放 的能量只占電池容量的 3%左右。因此，3.0V 是一個(gè)理想的放電截止電壓。 充放電時(shí)，除了電壓的限制，電流的限制也有其必要。電流過(guò)大時(shí)，鋰離子來(lái)不及進(jìn)入儲(chǔ)存格，會(huì)聚集 于材料表面。

這些鋰離子獲得電子后，會(huì)在材料表面產(chǎn)生鋰原子結(jié)晶，這與過(guò)充一樣，會(huì)造成危險(xiǎn)性。萬(wàn)一 電池外殼破裂，就會(huì)爆炸。 因此，對(duì)鋰離子電池的保護(hù)，至少要包含：充電電壓上限、放電電壓下限、及電流上限三項(xiàng)。一般鋰電 池組內(nèi)，除了鋰電池芯外，都會(huì)有一片保護(hù)板，這片保護(hù)板主要就是提供這三項(xiàng)保護(hù)。但是，保護(hù)板的這三 項(xiàng)保護(hù)顯然是不夠的，全球鋰電池爆炸事件還是頻傳。要確保電池系統(tǒng)的安全性，必須對(duì)電池爆炸的原因， 進(jìn)行更仔細(xì)的分析。

爆炸原因

1、內(nèi)部極化較大；

2、極片吸水，與電解液發(fā)生反應(yīng)氣鼓；

3、電解液本身的質(zhì)量、性能問(wèn)題；

4、注液時(shí)候注液量達(dá)不到工藝要求；

5、裝配制程中激光焊接密封性能差，測(cè)漏氣時(shí)漏氣；

6、粉塵、極片粉塵首先易導(dǎo)致微短路；

7、正負(fù)極片較工藝范圍偏厚，入殼難；

8、注液封口問(wèn)題，鋼珠密封性能不好導(dǎo)致氣鼓；

9、殼體來(lái)料存在殼壁偏厚，殼體變形影響厚度；

10、外面環(huán)境溫度過(guò)高也是導(dǎo)致爆炸的主要原因。

爆炸類(lèi)型

爆炸類(lèi)型分析電池芯爆炸的類(lèi)形可歸納為外部短路、內(nèi)部短路、及過(guò)充三種。此處的外部系指電芯的外部，包含了電 池組內(nèi)部絕緣設(shè)計(jì)不良等所引起的短路。 當(dāng)電芯外部發(fā)生短路，電子組件又未能切斷回路時(shí)，電芯內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生高熱，造成部分電解液汽化，將電池外殼撐大。當(dāng)電池內(nèi)部溫度高到 135 攝氏度時(shí)，質(zhì)量好的隔膜紙，會(huì)將細(xì)孔關(guān)閉，電化學(xué)反應(yīng)終止或近乎 終止，電流驟降，溫度也慢慢下降，進(jìn)而避免了爆炸發(fā)生。但是，細(xì)孔關(guān)閉率太差，或是細(xì)孔根本不會(huì)關(guān)閉 的隔膜紙，會(huì)讓電池溫度繼續(xù)升高，更多的電解液汽化，最后將電池外殼撐破，甚至將電池溫度提高到使材 料燃燒并爆炸。 內(nèi)部短路主要是因?yàn)殂~箔與鋁箔的毛刺穿破隔膜，或是鋰原子的樹(shù)枝狀結(jié)晶穿破膈膜所造成。

這些細(xì)小的針狀金屬，會(huì)造成微短路。由于，針很細(xì)有一定的電阻值，因此，電流不見(jiàn)得會(huì)很大。銅鋁箔毛刺系在生 產(chǎn)過(guò)程造成，可觀察到的現(xiàn)象是電池漏電太快，多數(shù)可被電芯廠或是組裝廠篩檢出來(lái)。而且，由于毛刺細(xì)小， 有時(shí)會(huì)被燒斷，使得電池又恢復(fù)正常。因此，因毛刺微短路引發(fā)爆炸的機(jī)率不高。 這樣的說(shuō)法，可以從各電芯廠內(nèi)部都常有充電后不久，電壓就偏低的不良電池，但是卻鮮少發(fā)生爆炸事 件，得到統(tǒng)計(jì)上的支持。因此，內(nèi)部短路引發(fā)的爆炸，主要還是因?yàn)檫^(guò)充造成的。

因?yàn)椋^(guò)充后極片上到處 都是針狀鋰金屬結(jié)晶，刺穿點(diǎn)到處都是，到處都在發(fā)生微短路。因此，電池溫度會(huì)逐漸升高，最后高溫將電 解液氣體。這種情形，不論是溫度過(guò)高使材料燃燒爆炸，還是外殼先被撐破，使空氣進(jìn)去與鋰金屬發(fā)生激烈 氧化，都是爆炸收?qǐng)觥?但是過(guò)充引發(fā)內(nèi)部短路造成的這種爆炸，并不一定發(fā)生在充電的當(dāng)時(shí)。有可能電池溫度還未高到讓材料 燃燒、產(chǎn)生的氣體也未足以撐破電池外殼時(shí)，消費(fèi)者就終止充電，帶手機(jī)出門(mén)。這時(shí)眾多的微短路所產(chǎn)生的 熱，慢慢的將電池溫度提高，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，才發(fā)生爆炸。消費(fèi)者共同的描述都是拿起手機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)手機(jī)很 燙，扔掉后就爆炸。

綜合以上爆炸的類(lèi)型，我們可以將防爆重點(diǎn)放在 過(guò)充的防止、外部短路的防止、及提升電芯安全性三方面。其中過(guò)充防止及外部短路防止屬于電子防護(hù)，與電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)及電池組裝有較大關(guān)系。電芯安全性提升 之重點(diǎn)為化學(xué)與機(jī)械防護(hù)，與電池芯制造廠有較大關(guān)系。

設(shè)計(jì)規(guī)范

由于全球手機(jī)有數(shù)億只，要達(dá)到安全，安全防護(hù)的失敗率必須低于一億分之一。由于，電路板的故障率 一般都遠(yuǎn)高于一億分之一。因此，電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須有兩道以上的安全防線。常見(jiàn)的錯(cuò)誤設(shè)計(jì)是用充電器(adaptor)直接去充電池組。這樣將過(guò)充的防護(hù)重任，完全交給電池組上的保護(hù)板。雖然保護(hù)板的故障率不高，但是，即使故障率低到百萬(wàn)分之一，機(jī)率上全球還是天天都會(huì)有爆炸事故發(fā)生。 電池系統(tǒng)如能對(duì)過(guò)充、過(guò)放、過(guò)電流都分別提供兩道安全防護(hù)，每道防護(hù)的失敗率如果是萬(wàn)分之一，兩道防護(hù)就可以將失敗率降到一億分之一。

常見(jiàn)的電池充電系統(tǒng)方塊圖如下，包含充電器及電池組兩大部分。 ①充電器又包含適配器(Adaptor)及充電控制器兩部分。適配器將交流電轉(zhuǎn)為直流電，充電控制器則限制直流 電的最大電流及最高電壓。②電池組包含保護(hù)板及電池芯兩大部分，以及一個(gè) PTC 來(lái)限定最大電流。適配器交流變直流作用：電控制器限流限壓。充電器作用: 保護(hù)板過(guò)充、 過(guò)放、過(guò)流等防護(hù)。

電池組作用: 限流片。電池芯以手機(jī)電池系統(tǒng)為例，過(guò)充防護(hù)系 統(tǒng)利用充電器輸出電壓設(shè)定在 4.2V 左右，來(lái)達(dá)到第一層防護(hù)，這樣就算電池組上的保護(hù)板失效，電池也不會(huì)被過(guò)充而發(fā)生危險(xiǎn)。第二道防護(hù)是保護(hù)板上的過(guò)充防護(hù)功能，一般設(shè)定為 4.3V。這樣，保護(hù)板平常不必負(fù)責(zé) 切斷充電電流，只有當(dāng)充電器電壓異常偏高時(shí)，才需要?jiǎng)幼鳌＿^(guò)電流防護(hù)則是由保護(hù)板及限流片來(lái)負(fù)責(zé)，這 也是兩道防護(hù)，防止過(guò)電流及外部短路。由于過(guò)放電只會(huì)發(fā)生在電子產(chǎn)品被使用的過(guò)程。因此，一般設(shè)計(jì)是 由該電子產(chǎn)品的線路板來(lái)提供第一道防護(hù)，電池組上的保護(hù)板則提供第二道防護(hù)。當(dāng)電子產(chǎn)品偵測(cè)到供電電壓低于 3.0V 時(shí)，應(yīng)該自動(dòng)關(guān)機(jī)。如果該產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)未設(shè)計(jì)這項(xiàng)功能，則保護(hù)板會(huì)在電壓低到 2.4V 時(shí)，關(guān)閉 放電回路。

總論：電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)過(guò)充、過(guò)放、與過(guò)電流分別提供兩道電子防護(hù)。 把保護(hù)板拿掉后充電，如果電池會(huì)爆炸就代表設(shè)計(jì)不良。 上述方法雖然提供了兩道防護(hù)，但是由于消費(fèi)者在充電器壞掉后，常會(huì)買(mǎi)非原廠充電器來(lái)充電，而充電 器業(yè)者，基于成本考慮，常將充電控制器拿掉，來(lái)降低成本。結(jié)果，劣幣驅(qū)逐良幣，市面上出現(xiàn)了許多劣質(zhì) 充電器。這使得過(guò)充防護(hù)失去了第一道也是最重要的一道防線。而過(guò)充又是造成電池爆炸的最重要因素，因 此，劣質(zhì)充電器可以稱得上是電池爆炸事件的元兇。 當(dāng)然，并非所有的電池系統(tǒng)都采用如上圖的方案。在有些情況下，電池組內(nèi)也會(huì)有充電控制器的設(shè)計(jì)。

例如：許多筆記型計(jì)算機(jī)的外加電池棒，就有充電控制器。這是因?yàn)楣P記型計(jì)算機(jī)一般都將充電控制器做在 計(jì)算機(jī)內(nèi)，只給消費(fèi)者一個(gè)適配器。因此，筆記型計(jì)算機(jī)的外加電池組，就必須有一個(gè)充電控制器，才能確保外加電池組在使用適配器充電時(shí)的安全。另外，使用汽車(chē)點(diǎn)煙器充電的產(chǎn)品，有時(shí)也會(huì)將充電控制器做在 電池組內(nèi)。

最后的防線：如果電子的防護(hù)措施都失敗了，最后的一道防線，就要由電芯來(lái)提供了。電芯的安全層級(jí)， 可依據(jù)電芯能否通過(guò)外部短路和過(guò)充來(lái)大略區(qū)分等級(jí)。由于，電池爆炸前，如果內(nèi)部有鋰原子堆積在材料表 面，爆炸威力會(huì)更大。而且，過(guò)充的防護(hù)常因消費(fèi)者使用劣質(zhì)充電器而只剩一道防線，因此，電芯抗過(guò)充能 力比抗外部短路的能力更重要。 鋁殼電芯與鋼殼電芯安全性比較，鋁殼具有很高的安全優(yōu)勢(shì)。

.人腦是一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)

2022年10月7日，愛(ài)爾蘭都柏林三一學(xué)院的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在《物理學(xué)通訊》雜志上發(fā)表了一篇名為《非經(jīng)典腦功能的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)》的論文。研究人員在論文中寫(xiě)道：“我們的研究結(jié)果表明，我們可能已經(jīng)目睹了由意識(shí)相關(guān)的大腦功能介導(dǎo)的糾纏。 然后，這些大腦功能必須以非經(jīng)典方式運(yùn)作，這意味著意識(shí)是非經(jīng)典的。”三一學(xué)院的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，我們的大腦可以使用量子計(jì)算。

三一學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所（TCIN）的首席物理學(xué)家Christian Kerskens博士（該研究文章的共同作者）說(shuō)道：“我們改編了一個(gè)想法，為證明量子引力的存在而開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)，即采取已知的量子系統(tǒng)，與一個(gè)未知系統(tǒng)相互作用。如果已知系統(tǒng)糾纏在一起，那么未知系統(tǒng)也必須是一個(gè)量子系統(tǒng)。它規(guī)避了為我們一無(wú)所知的東西尋找測(cè)量設(shè)備的困難。”

“如果糾纏是這里唯一可能的解釋，那么這將意味著大腦過(guò)程必須與核自旋相互作用，調(diào)解核自旋之間的糾纏。因此，我們可以推斷，這些大腦功能必須是量子化的。因?yàn)檫@些大腦功能也與短期記憶表現(xiàn)和意識(shí)意識(shí)相關(guān)，所以那些量子過(guò)程很可能是我們認(rèn)知和意識(shí)大腦功能的一個(gè)重要部分。”
“量子大腦過(guò)程可以解釋為什么我們?cè)谟龅讲豢深A(yù)見(jiàn)的情況、決策或?qū)W習(xí)新事物時(shí)仍然可以勝過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)。”

這篇論文表明，人類(lèi)大腦實(shí)際上與量子計(jì)算機(jī)有很多共同之處，人類(lèi)大腦可能是一臺(tái)超級(jí)量子計(jì)算機(jī)！

2.人腦計(jì)算機(jī)電從何來(lái)

不管人類(lèi)的大腦是量子計(jì)算機(jī)還是普通計(jì)算機(jī)，都存在以下問(wèn)題：
人腦計(jì)這臺(tái)算機(jī)，在工作的時(shí)候電從何而來(lái)？
如何產(chǎn)生電信號(hào)？

在回答這兩個(gè)問(wèn)題前，我們先來(lái)看看日常生活中常用的電子產(chǎn)品的電源情況。
1、臺(tái)式設(shè)備，如臺(tái)式電腦。這類(lèi)設(shè)備往往體積較大，功耗較大，它們通常使用外部供電的方式，設(shè)備通過(guò)電源線連接外部電源如220V。外部供電使用方便，只需要提供一個(gè)外部接口，即插即用，適合大功率設(shè)備；缺點(diǎn)為外部斷電后無(wú)法工作。

2、手持設(shè)備，如手機(jī)。這類(lèi)設(shè)備往往體積較小，功耗較小，它們通常使用內(nèi)部電池供電的方式，如使用鋰電池。內(nèi)部電池供電的最大優(yōu)點(diǎn)是不受位置限制，可以隨意移動(dòng)設(shè)備位置；缺點(diǎn)為工作時(shí)間收到電池電量限制，需要定期充電。

人腦既沒(méi)有外部供電的接口，也沒(méi)有內(nèi)部?jī)?chǔ)能的電池，因此人腦不使用外部供電模式，也不是使用電池供電模式。那么人腦計(jì)算機(jī)的用從何而來(lái)？

3.原電池實(shí)驗(yàn)

相信大家都還記得中學(xué)化學(xué)里的原電池實(shí)驗(yàn)，下圖是一個(gè)原電池實(shí)驗(yàn)的原理圖。

左邊電極是鋅（負(fù)極），右邊電極是銅（正極），電解液分別是CuSO4溶液和ZnSO4溶液。整個(gè)電路連通后，正負(fù)極材料發(fā)生反應(yīng)，電子沿著外電路移動(dòng)，最終形成電流。

原電池反應(yīng)是放熱反應(yīng)，一般為氧化還原反應(yīng)。還原劑在負(fù)極上失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電子通過(guò)外電路輸送到正極上，氧化劑在正極上得電子發(fā)生還原反應(yīng)，從而完成還原劑和氧化劑之間電子的轉(zhuǎn)移。兩極之間溶液中離子的定向移動(dòng)和外部導(dǎo)線中電子的定向移動(dòng)構(gòu)成了閉合回路，使兩個(gè)電極反應(yīng)不斷進(jìn)行，發(fā)生有序的電子轉(zhuǎn)移過(guò)程，產(chǎn)生電流。

人腦計(jì)算機(jī)運(yùn)用了類(lèi)似的原理產(chǎn)生電能。

4.人腦計(jì)算機(jī)電能來(lái)源

下圖是神經(jīng)元細(xì)胞和其工作環(huán)境，神經(jīng)元細(xì)胞在富含鈉離子的細(xì)胞外液中，神經(jīng)元內(nèi)部充滿了富含鉀離子的細(xì)胞液，神經(jīng)元的細(xì)胞膜將細(xì)胞液和細(xì)胞外液隔離開(kāi)。
細(xì)胞的內(nèi)外液是富含各種離子的鹽溶液，這些鹽溶液構(gòu)成了人腦神經(jīng)系統(tǒng)的導(dǎo)電環(huán)境。

細(xì)胞內(nèi)外液

神經(jīng)元細(xì)胞的內(nèi)外液的主要成分是水（H2O）,水分子有一個(gè)重要的特性：不均衡的電荷分布。這種特性使得水是一種良好的溶劑，也就是說(shuō)其他帶電的或極性分子易溶于水。
帶凈電荷的原子或分子稱為離子，帶正電的離子稱為陽(yáng)離子，帶負(fù)電的離子稱為陰離子。在神經(jīng)系統(tǒng)中，離子作為電傳導(dǎo)的主要電荷載體。
神經(jīng)元細(xì)胞的內(nèi)外液是富含離子的鹽溶液。對(duì)于神經(jīng)系統(tǒng)而言，重要的離子有：單價(jià)陽(yáng)離子Na+和Ka+,二價(jià)陽(yáng)離子Ca2+,單價(jià)陰離子Cl- 。

細(xì)胞膜

由于水是極性分子，電荷不均勻的物質(zhì)可以溶于水，如離子和極性分子，這個(gè)物質(zhì)稱為親水性物質(zhì)。當(dāng)分子內(nèi)部電荷分布均勻時(shí)形成非極性共價(jià)鍵，這些物質(zhì)不溶于水，稱之為疏水性物質(zhì)，我們熟知的油就不溶于水。另外脂質(zhì)也是非溶于水的物質(zhì)，它們是構(gòu)成細(xì)胞膜的重要成分。
細(xì)胞膜的主要化學(xué)構(gòu)件是磷脂，磷脂有一個(gè)親水性的極性“頭”和一個(gè)疏水性的非極性“尾”。神經(jīng)元的細(xì)胞膜由兩層磷脂構(gòu)成，這種穩(wěn)定的排列稱為磷脂雙層，它可以有效的把神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液分隔開(kāi)。

跨膜蛋白質(zhì)

神經(jīng)元細(xì)胞膜上分布著多種跨膜蛋白（橫跨磷脂雙層細(xì)胞膜的蛋白質(zhì)），這些跨膜蛋白有不同的種類(lèi)，不同的大小，不同的形狀，它們有著不同的功能。動(dòng)作電位和靜息電位的產(chǎn)生依賴于這些跨膜蛋白，這些蛋白是離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的途徑。
這些跨膜蛋白組成了兩個(gè)重要的構(gòu)件：離子通道和離子泵。離子通道重要作用是離子選擇性，離子泵的重要作用是跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)某些離子。

離子運(yùn)動(dòng)

神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)外液是富含離子的鹽溶液，這些離子在神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)外運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電信號(hào)，在離子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有兩種有效運(yùn)動(dòng)：擴(kuò)散和輸送。
當(dāng)離子通道打開(kāi)時(shí)離子會(huì)從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域移動(dòng)，這就是擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，這個(gè)過(guò)程是自發(fā)的不需要消耗能量。
離子泵主動(dòng)將離子轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)部，這就是輸送，這個(gè)過(guò)程消耗能量。

神經(jīng)元電位

神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)外液都是富含離子的鹽溶液，細(xì)胞膜將細(xì)胞外液和細(xì)胞內(nèi)液隔開(kāi)，跨膜蛋白組成的離子泵可以將一價(jià)陽(yáng)離子Na+運(yùn)到神經(jīng)元細(xì)胞外部，使得神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)液的Na+離子濃度低于細(xì)胞外液的Na+離子濃度，最終導(dǎo)致神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)部為負(fù)電位，我們將這個(gè)負(fù)電位稱為靜息膜電位。

當(dāng)神經(jīng)元細(xì)胞接受到信號(hào)后離子通道打開(kāi)，由于細(xì)胞外液的Na+離子濃度高，外部的Na+離子通過(guò)離子通道擴(kuò)散到細(xì)胞內(nèi)部，使得細(xì)胞內(nèi)的電位由負(fù)轉(zhuǎn)變?yōu)檎瑥亩梢粋€(gè)動(dòng)作電位。示意圖如下：

離子在神經(jīng)元細(xì)胞中的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了靜息膜電位和動(dòng)作電位，在整個(gè)過(guò)程中離子泵和離子通道發(fā)揮了重要作用!

5.離子泵

神經(jīng)元細(xì)胞膜上的離子泵的作用就是形成離子濃度梯度。在神經(jīng)系統(tǒng)中有兩種重要的離子泵：納-鉀泵 和鈣泵。
鈉-鉀泵是一種酶，在神經(jīng)元細(xì)胞膜內(nèi)鈉離子存在的情況下可以降解三磷酸腺苷(ATP)，該反應(yīng)釋放化學(xué)能驅(qū)動(dòng)鈉-鉀泵，使得神經(jīng)元細(xì)胞膜內(nèi)的Na+離子和Ka+離子交換。鈉-鉀泵的作用是確保Ka+離子富集于神經(jīng)元內(nèi)，Na+離子富集于神經(jīng)元外。
鈣泵也是一種酶，將神經(jīng)元內(nèi)Ca2+離子轉(zhuǎn)運(yùn)到外部，使得神經(jīng)元內(nèi)的Ca2+離子濃度將至非常低的水平。

離子泵的工作確保了離子濃度的建立和維持。離子泵使得神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)部富集陰離子，神經(jīng)元外部富集陽(yáng)離子，產(chǎn)生了靜息膜電位。離子泵使得神經(jīng)元的膜內(nèi)外表面呈現(xiàn)不均勻的電荷分布，但是整個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)液和外液是電中性的。

6.離子通道

離子通道是有跨膜蛋白質(zhì)分子組成，一個(gè)典型的功能性跨膜通道需要4~6個(gè)相似的蛋白質(zhì)分子聚合，并在其中央形成以個(gè)孔道，這個(gè)孔道就是水溶性物質(zhì)進(jìn)出神經(jīng)元細(xì)胞的通道。

離子通道的一個(gè)重要特性就是離子選擇性，一種離子通道幾乎只讓一種離子通過(guò)，而另一些離子則不容易通過(guò)該種通道。例如鈉離子通道開(kāi)放時(shí)，鈉離子可通過(guò)，而其他離子則不能通過(guò)。

離子通道的一個(gè)重要特性就是門(mén)控，此性能可以控制通道的開(kāi)放和關(guān)閉。因此離子通道存在兩種狀態(tài)：開(kāi)放和關(guān)閉。多數(shù)情況下離子通道處于關(guān)閉狀態(tài)，只在特定條件下離子通道才開(kāi)放。通道由關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)為開(kāi)放的過(guò)程稱為激活，由開(kāi)放轉(zhuǎn)為關(guān)閉狀態(tài)的過(guò)程稱為失活。

鈉離子通道全稱為電壓門(mén)控鈉通道，通道蛋白質(zhì)在膜上形成一個(gè)對(duì)鈉離子有高度選擇性的孔道，電壓門(mén)控納通道有如下特征：
1、離子通道開(kāi)放有短暫的延時(shí)
2、離子通道開(kāi)放的時(shí)間約為1ms
3、離子通道開(kāi)發(fā)后失活（關(guān)閉）
4、當(dāng)膜電位恢復(fù)到閾值附近時(shí)，離子通道才能被激活，再次打開(kāi)。

7.動(dòng)作電位

神經(jīng)元細(xì)胞中的離子泵和離子通道建立了人腦計(jì)算機(jī)的導(dǎo)電環(huán)境，接下來(lái)我們一起看看離子泵和離子通道這對(duì)“臥龍鳳雛”是如何產(chǎn)生人腦計(jì)算機(jī)的工作信號(hào)：動(dòng)作電位。
在靜息情況下神經(jīng)元的胞內(nèi)電位相對(duì)胞外為負(fù)電位，動(dòng)作電位就是這一電位狀態(tài)的快速翻轉(zhuǎn)，即在很短的時(shí)間內(nèi)神經(jīng)元胞內(nèi)電位相對(duì)胞外為正電位，動(dòng)作電位通常指代神經(jīng)沖動(dòng)。
可以將微電極插入神經(jīng)元胞體或軸突，測(cè)量胞內(nèi)電極和神經(jīng)元胞外溶液中參考（接地）之間的電位差，兩個(gè)電極連到一個(gè)信號(hào)放大器上，使用示波器來(lái)觀測(cè)電位變化。

動(dòng)作電位的實(shí)測(cè)波形如下：

動(dòng)作電位可以分為以下兩個(gè)部分：
1、上升相，其特征是神經(jīng)元快速去極化，使得膜電位從負(fù)電位上升到月+40mV。
2、下降相，其特征是神經(jīng)元快速恢復(fù)極化，使得膜電位從正電位下降到負(fù)電位。

在上升相中，膜電位超過(guò)0mV以上的部分稱為超射，在下降相中膜電位低于靜息電位的部分稱為回射。

動(dòng)作電位的產(chǎn)生

動(dòng)作電位實(shí)際上是離子泵和離子通道共同協(xié)作的結(jié)果，那這對(duì)“臥龍鳳雛”是如何做到的呢？

靜息電位

神經(jīng)元細(xì)胞沒(méi)有受到刺激，此時(shí)鉀離子通道和鈉離子通道均關(guān)閉，離子泵轉(zhuǎn)運(yùn)Ka+離子和Na+離子，使得神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)部富集陰離子，神經(jīng)元外部富集陽(yáng)離子，神經(jīng)元內(nèi)為負(fù)電位。

上升相

神經(jīng)元細(xì)胞受到刺激，此時(shí)鈉離子通道開(kāi)啟，由于神經(jīng)元胞外的鈉離子濃度較高，因此大量鈉離子流入神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)，使得神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)的電位上升。

下降相

此時(shí)神經(jīng)元胞內(nèi)電位為正，鈉離子通道關(guān)閉，鉀離子通道打開(kāi)，由于細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度較高，因此大量鉀離子流入神經(jīng)元細(xì)胞外，使得神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)的電位下降。

恢復(fù)靜息狀態(tài)

此時(shí)神經(jīng)元胞內(nèi)電位為負(fù)，鈉離子濃度偏高，鉀離子濃度偏低，離子泵將Ka+離子轉(zhuǎn)運(yùn)到神經(jīng)元內(nèi)，將Na+離子富轉(zhuǎn)運(yùn)到神經(jīng)元外，電位基本不變。

8.精妙的設(shè)計(jì)

描述上一節(jié)講到了動(dòng)作電位的產(chǎn)生，接下來(lái)我將在建立幾個(gè)模型，通過(guò)對(duì)模型的分析，我們將不得不感嘆神經(jīng)元細(xì)胞設(shè)計(jì)的精妙。

8.1離子通道模型

按照一般的思維，只需要一種鈉離子泵，負(fù)責(zé)將鈉離子轉(zhuǎn)運(yùn)到神經(jīng)元細(xì)胞外，然后只需要一種鈉離子通道讓將神經(jīng)元細(xì)胞外的鈉離子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，產(chǎn)生動(dòng)作電位。

但是這種設(shè)計(jì)存在一個(gè)問(wèn)題，假設(shè)神經(jīng)元細(xì)胞處于靜息狀態(tài)，此時(shí)神經(jīng)元受到刺激，離子通道開(kāi)啟后鈉離子因?yàn)闈舛炔羁焖龠M(jìn)入神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)，電位迅速上升，然后鈉離子通道關(guān)閉，離子泵開(kāi)始轉(zhuǎn)運(yùn)鈉離子，但是由于離子泵轉(zhuǎn)運(yùn)速度比較慢，所以導(dǎo)致下降相非常慢，如下圖所示t2遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于t1,最終導(dǎo)致一個(gè)動(dòng)作電位時(shí)間較長(zhǎng)。這會(huì)造成神經(jīng)元產(chǎn)生動(dòng)作電位的最短時(shí)間變大，例如目前人腦的神經(jīng)元每1ms都能生成一個(gè)動(dòng)作電位，如果只有一個(gè)離子通道的神經(jīng)元每10ms才能生成一個(gè)動(dòng)作電位，這將導(dǎo)致人腦的反應(yīng)速度降低90%！
因此神經(jīng)元使用兩種不同種類(lèi)的離子和兩種不同種類(lèi)的離子通道是一個(gè)非常精妙設(shè)計(jì)！

8.2離子泵模型

現(xiàn)在的神經(jīng)元細(xì)胞的離子泵可以同時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)鈉離子和鉀離子，這樣會(huì)使得兩種離子濃度等比例改變。

假設(shè)現(xiàn)在是兩種離子泵，每種離子泵只負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)一種離子，如果每個(gè)神經(jīng)元上的兩種離子泵的數(shù)量不能比例不一樣那么，那么將導(dǎo)致靜息電位不一致。由此可見(jiàn)現(xiàn)在的神經(jīng)元細(xì)胞的離子泵可以同時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)鈉離子和鉀離子是一種非常精妙的設(shè)計(jì)！

9.總結(jié)

人腦內(nèi)部并沒(méi)有一個(gè)專門(mén)的器官或組織產(chǎn)生電能，而是神經(jīng)元上的離子通道和離子泵通過(guò)完美的協(xié)作，維持導(dǎo)電環(huán)境和產(chǎn)生電信號(hào)。人腦實(shí)際上使用的是分布式供電模式，就是說(shuō)人腦內(nèi)部的每個(gè)神經(jīng)元自己產(chǎn)生和維持導(dǎo)電環(huán)境。

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記本電腦里都會(huì)自帶一塊電池，在沒(méi)有外接供電的情況下可以獲得續(xù)航時(shí)間，但是為什么臺(tái)式機(jī)里不配備一塊備用電源，以防意外停電或誤關(guān)斷電源呢？

其實(shí)專門(mén)在斷電時(shí)供電的備用電源是有的，名字叫做UPS，也就是不間斷電源，其原理和筆記本電池類(lèi)似，就是在一個(gè)大盒子里內(nèi)置電池，在檢測(cè)到斷電的時(shí)候提供供電，UPS在很多年前曾經(jīng)火過(guò)，但目前只在少數(shù)領(lǐng)域用到，家用電腦幾乎都不會(huì)配備了。那為什么UPS沒(méi)有普及，反而從我們的視野里消失了呢？主要有3個(gè)原因。

首先是停電出現(xiàn)的概率小多了，20年前在不發(fā)達(dá)的地區(qū)還會(huì)經(jīng)常停電，包括打雷下雨等惡劣天氣都會(huì)導(dǎo)致停電，而近幾年來(lái)基本上不會(huì)停電，只要?jiǎng)e忘了交電費(fèi)，停電的概率其實(shí)非常小，UPS也就逐漸沒(méi)有用武之地了。

其次是電池的能量密度太低了，即使有很少的用戶有需求，能量密度也限制了UPS的發(fā)展。筆記本電腦的功耗只有幾十瓦甚至更低，在低功耗模式下用很小的電池就能有較好的續(xù)航表現(xiàn)，但是臺(tái)式機(jī)尤其是高性能主機(jī)的功耗動(dòng)輒500瓦，還有顯示器需要額外供電，小體積的UPS供電達(dá)不到半小時(shí)，能滿足長(zhǎng)時(shí)間供電的UPS體積又太大太重，所以也很難應(yīng)用到臺(tái)式機(jī)上。

最后就是電腦電源的技術(shù)在不斷成熟，目前品牌電源里的主電容都可以給電腦提供短時(shí)間的供電，這個(gè)時(shí)間大概是16ms以上也就是大約1/60秒。別看這個(gè)時(shí)間非常短，電源可以給主板信號(hào)，讓內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，同時(shí)讓機(jī)械硬盤(pán)的磁頭復(fù)位，很大程度上減少損失。

也就是說(shuō)，綜合客觀環(huán)境和大多數(shù)用戶的需求，臺(tái)式機(jī)的備用電源不是做不出來(lái)，而是實(shí)用性不佳，而電腦電源在一定程度上承擔(dān)了備用電源的作用，發(fā)生意外斷電時(shí)可以起到保護(hù)數(shù)據(jù)的作用，所以在選電源的時(shí)候也不要貪便宜。

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