2019年諾貝爾化學獎“主角”鋰電池的前世今生

10月9日,2019年諾貝爾化學獎授予John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham和Akira Yoshino,以表彰他們在鋰離子電池領域的貢獻。
當天,諾獎委員會在官網對三位科學家的獲獎理由做出了介紹,委員會稱,三位科學家創造了一個可充電的世界。

2019年諾貝爾化學獎授予鋰離子電池領域。重量輕,可充電的鋰電池現在被用于手機、筆記本電腦、電動汽車等領域。它還可以儲存大量來自太陽能和風能的能量,使一個無化石燃料的社會成為可能。

全球范圍內,鋰離子電池被用來為各種便攜式電子設備供電,以供我們交流、工作、學習、聽音樂和搜索知識。鋰離子電池也使遠距離電動汽車的發展和太陽能、風能等可再生能源的存儲成為可能。
 

鋰電池的故事要從鋰元素被發現講起
1817年,瑞典化學家Johan August Arfwedson和Jöns Jacob Berzelius首次將鋰從一個瑞典小島的礦石樣本中提取出來。當時,Berzelius以希臘語中的“石頭、石子”命名了它。
雖然這個名字聽起來很重,但其實,鋰是最輕的固體元素——這或許就是為什么,我們有時候不會注意到隨身攜帶的手機。

更準確的來說,瑞典化學家實際上并沒有發現純的金屬鋰,而是以鹽的形式發現鋰離子。純鋰是一種非常不穩定的元素,必須儲存在石油中,防止它與空氣發生反應。
鋰的弱點是它的反應性,但這恰恰也是它的優勢。
20世紀70年代初,Stanley Whittingham開發第一個功能性鋰電池時,他利用鋰的巨大驅動力來釋放外層電子。
1980年,John Goodenough將電池的潛力翻了一番,為更強大、更有用的電池創造了合適的條件。
1985,Akira Yoshino成功地從電池中消除純鋰。他采用鋰離子作為材料,比純鋰更安全。
這一嘗試使得電池進行了人們的實際生活。鋰離子電池給人類帶來了諸多好處,它使筆記本電腦、手機、電動汽車的發展以及太陽能和風能發電的儲存成為了可能。


Stanley Whittingham將鋰帶入了電池
20世紀中葉,全球汽車保有量上升,汽車尾氣進一步加劇了大城市的空氣污染。于此同時,人們日益認識到石油資源有限,這使汽車制造商和石油公司拉響了警報。為了生存,他們打算投資電動汽車和替代能源。
不過,電動汽車和替代能源都需要能夠存儲大量能量的強大電池。當時,市場上只有兩種類型的可充電電池——重鉛電池和鎳鎘電池。
是Stanley Whittingham把金屬鋰帶入了電池,也使它成為了這個故事的主角。他將鋰作為新電池的負極。
鋰不是一個隨機選擇; 在電池中,電子應從負極(陽極)流向正極(陰極)。 因此,負極應包含一種易于釋放電子的材料,而在所有元素中,鋰是最容易釋放電子的材料。
Stanley Whittingham的實驗創造出了在室溫下工作的可充電鋰電池,并且具有巨大潛力。 之后,他前往紐約埃克森美孚總部,在大約十五分鐘的會議之后,埃克森美孚管理團隊決定:將利用Whittingham的發現開發出一種商業上可行的電池。

第一批可充電電池的電極中有固體材料,與電解質發生化學反應時會損壞電池。


石油危機激發Goodenough對電池的興趣
John Goodenough幼年時在閱讀方面有很大的障礙,他因而被數學和物理學所吸引。與1970年代的很多人一樣,Goodenough感受到了石油危機的影響,希望為替代能源發展做出貢獻,并因此進入了能源研究領域。
Goodenough了解到Stanley Whittingham的革命性電池,但他對物質內部的知識告訴他,如果用金屬氧化物替代金屬硫化物制造電池的正極,電池的潛力會更大。
他的研究小組開始尋找一種金屬氧化物,要求當它嵌入鋰離子時能產生高壓,但當鋰離子被移除時,它不會崩潰。
這項系統性的研究比Stanley Whittingham所預期的要成功得多。Goodenough用鈷酸鋰作為電池正極材料,制成電池的輸出電壓幾乎達到4伏。
1980年,他發表論文介紹了這種新型正極材料,它的重量很輕,卻能生產出功能強大的高容量電池。

Goodenough開始在鋰電池的正極中使用鈷酸鋰。 這使電池的潛力翻倍,并使其功能更強大。


吉野彰制造首款商業上可行的鋰離子電池
吉野彰最初在Goodenough的基礎上,用鈷酸鋰作為電池的正極,并嘗試使用各種碳基材料作為負極。后來,他在負極中使用石油工業的副產品——石油焦。結果顯示,他以此開發出的電池更為穩定,而且重量輕、容量大,能明顯產生4伏電壓。
這類電池的工作原理不基于任何有害的化學反應,而是依靠鋰離子在電極之間來回流動,使用壽命很長,在性能下降之前可以充電數百次。另一個很大的優勢是,這類電池中沒有使用純鋰,保障了安全性。


吉野彰開發了第一個商業上可行的鋰離子電池。
1991年,日本一家大型電子公司開始銷售第一批鋰離子電池,這引發了一場電子革命。此后,手機變得越來越小,電腦變得更加便攜,MP3播放器和平板電腦也得到了發展。
近年來,世界各地的研究人員都在尋找更好的電池,但還沒有人成功地發明出超過鋰離子電池的高容量、高電壓的電池。
與此同時,鋰離子電池也得到了改進,例如John Goodenough用磷酸鐵取代了鈷酸鋰,使電池更加環保。

來源:澎湃新聞|李躍群

 

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