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cmpbet 一个可以“充电”的世界:锂离子电池是如何被发明的?

发布时间:2020-01-08 13:18:02   人气:4088

cmpbet 一个可以“充电”的世界:锂离子电池是如何被发明的?

cmpbet,本文刊载于《三联生活周刊》2019年第42期,原文标题《化学奖:移动互联时代的奠基人》,严禁私自转载,侵权必究

主笔/苗千

97岁的约翰·古迪纳夫也成为获奖时年龄最长的诺贝尔奖得主

2019年诺贝尔化学奖被授予三位在发明锂离子电池过程中做出重要贡献的科学家:约翰·古迪纳夫(john goodenough)、斯坦利·威廷汉(stanley whittingham)与吉野彰(akira yoshino)。这三位科学家的科研成果的重要意义几乎已经人尽皆知而无需多说——正如诺贝尔委员会成员戈兰·汉森(g?ran hansson)教授的介绍,他们创造了一个可充电的世界。

锂离子电池的出现,受到了此前国际形势的影响,也受到了新兴产业的推动,但最关键的是几位科学家数年来坚持不懈的努力尝试,才发明了这种可靠高效的储存能量的新方式。在锂离子电池出现以前,人类只有两种电池产品,一种是由法国物理学家雷蒙德-路易斯·普兰特(raymond-louis planté)在1859年发明的铅电池,一种是在20世纪早期出现的可充电镍镉电池。这两种电池相对体形巨大,所能提供的能量也无法与石油所能提供的能量相提并论。

但石油能源远非完美。从20世纪中期开始,消耗汽油的汽车开始大量出现,造成巨大的环境污染。另一方面,这种化石燃料属于有限的资源,总有一天会被消耗光。20世纪70年代出现的石油危机让很多石油公司开始着眼于新的能源技术,寻求在未来可以代替石油为汽车提供能量的新方法。

在这样的背景下,斯坦福大学的固态物理学家威廷汉在1972年加入了埃克森公司,进行新能源技术研究。他首先从超导材料入手,研究不同材料在不同条件下导电性能的变化。结果他意外地发现,二硫化钽是一种极为出色的电池材料,能够储存大量电能,可以为未来的电动汽车提供能量。但问题是钽材料制成的电池太重,实际应用受到的限制太多。

威廷汉开始尝试寻找一种新的替代材料,他发现了性质相似的锂。锂元素是在1817年由瑞典化学家约翰·阿韦德松(johan arfwedson)发现的。这种在元素周期表上排名第三的世界上最轻的固态元素,此前很少会进入发明家的视野,原因就在于锂的性质太过于活泼,在空气中即使是与水接触都会发生燃烧或爆炸。科学家在研究锂的时候经常发生火灾,只能把它储存在油里,与空气隔绝。

威廷汉使用锂金属做阳极,使用二硫化钛做阴极,制造出了电池原型。这样的电池能量密度大,而且可以反复充电,但是缺点也很明显:制造成本高,而且安全性能差,非常容易在导电时产生微小的火花而发生爆炸。为了让电池更加安全,研究者在锂电极中加入金属铝,并且更换了电解液的材料。时至1976年,威廷汉首次展示了一个可以产生2.5伏电压的锂电池。这种电池在1976年开始小规模生产,提供给瑞士的一家手表厂。威廷汉本来打算在此基础上进一步研究出性能更出色的电池,为未来的电动汽车提供能量,但是到了20世纪80年代,石油价格又开始大幅下降,他在埃克森公司的研究工作被打断了。

美国化学家斯坦利·威廷汉,三位获奖人之一

锂电池的研究并未因此终止。在20世纪70年代和80年代初期,当时在牛津大学工作的化学家古迪纳夫利用层叠结构的金属氧化物取代金属硫化物来储存锂离子,使用锂钴氧化物作为阴极材料制造出可充电电池。这个改进极大地提高了电池的能量密度。到了1980年,古迪纳夫展示出的电池可以达到4伏电压,所提供的能量几乎达到原来锂电池能量的两倍。

在日本,一个新产业的出现进一步刺激了电池技术的发展。1979年,sony公司的著名产品“walkman”出现了。从20世纪80年代开始,一些日本公司开始研究新型电子产品,如录像机、无线电话、电脑等,而新产品都需要新型的可充电电池为它们提供能量。在这个新需求的激励之下,日本研究者开始寻找能够让电器变得更小的方法。

日本化学家吉野彰开始尝试新的电池材料。他从锂金属改用更安全的锂离子,并且开创性地使用了一种石油工业的副产品——含碳的石油焦材料——做电池阳极。这种轻型锂电池可以被充电几百次。这个改进极大地提高了电池的安全性,使锂离子电池的商业化成为可能。吉野彰在1983年首次开发出可充电锂离子电池的原型,而真正改变了人们生活方式的锂离子电池最终在1991年进入市场。

在这种新型电池出现之后,移动电话、电脑、mp3播放器等电子产品的尺寸都开始不断缩小,移动互联时代成为了可能。从那之后,研究者们开始寻找更好的电池材料,希望开发出下一代更加安全、电量更充足的新型电池,但是至今也没有找到比锂离子更适合用作电池的材料。锂离子电池的性能也在不断提高。

现代人的日常生活几乎已经无法离开各种便携式电子设备。这种全新的生活方式能够成为现实,轻巧、安全、储电量大的锂离子电池的出现起到了决定性作用。这三位科学家可以说是移动互联时代的奠基人,他们的发明使很多轻巧的便携式电子设备成为可能,也改变了人类存储能量的方式。除了为便携式电子设备提供能量之外,锂离子电池还可能成为绿色电网的基础,人类可以把从太阳能、风能等可再生资源收集到的能量存储到锂离子电池中。

这三位科学家的发明最终得到诺贝尔委员会成员的认可,与便携式设备在人们生活中的重要性不断提高,人类寻找绿色可再生能源的愿望越来越迫切有关。有人认为,授予他们诺贝尔奖为时太晚,尤其是古迪纳夫教授今年已经97岁,创下了诺贝尔奖得主的最高年龄纪录。三位科学家最终获奖能够让更多的人认识到能源技术的重要性,激励人们寻找更可靠、环保的能源,彻底摆脱对化石能源的依赖,改善人类的生存条件,这也正是阿尔弗莱德·诺贝尔设立诺贝尔奖的初衷。(本文写作参考了诺贝尔奖网站,《科学》《自然》杂志的相关报道)

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