2019年诺贝尔化学奖“主角”锂电池的前世今生

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2019年10月09日 20:37:00
来源:澎湃新闻网

很少看到一中元素在学术舞台上扮演核心角色,但2019年诺贝尔化学奖的主角却是一个起源于宇宙大爆炸的古老化学元素——锂。

10月9日,瑞典皇家科学院宣布将2019年诺贝尔化学奖授予约翰?古迪纳夫(John B. Goodenough),斯坦利?威廷汉(M. Stanley Whittingham)和吉野彰(Akira Yoshino),以表彰他们在锂离子电池领域的贡献。

锂电池的故事要从锂元素被发现讲起

1817年,瑞典化学家化学Johan August Arfwedson和Jöns Jacob Berzelius首次将锂从一个瑞典小岛的矿石样本中提取出来。当时,Berzelius以希腊语中的“石头、石子”命名了它。

虽然这个名字听起来很重,但其实,锂是最轻的固体元素——这或许就是为什么,我们有时候不会注意到随身携带的手机。

更准确的来说,瑞典化学家实际上并没有发现纯的金属锂,而是以盐的形式发现锂离子。纯锂是一种非常不稳定的元素,必须储存在石油中,防止它与空气发生反应。

锂的弱点是它的反应性,但这恰恰也是它的优势。

20世纪70年代初,Stanley Whittingham开发第一个功能性锂电池时,他利用锂的巨大驱动力来释放外层电子。

1980年,John Goodenough将电池的潜力翻了一番,为更强大、更有用的电池创造了合适的条件。

1985,Akira Yoshino成功地从电池中消除纯锂。他采用锂离子作为材料,比纯锂更安全。

这一尝试时的电池进行了人们的实际生活。锂离子电池给人类带来了诸多好处,它使笔记本电脑、手机、电动汽车的发展以及太阳能和风能发电的储存成为了可能。

Stanley Whittingham将锂带入了电池

20世纪中叶,全球汽车保有量上升,汽车尾气进一步加剧了大城市的空气污染。于此同时,人们日益认识到石油资源有限的,这使汽车制造商和石油公司拉响了警报。为了生存,他们打算投资电动汽车和替代能源。

不过,电动汽车和替代能源都需要能够存储大量能量的强大电池。当时,市场上只有两种类型的可充电电池——重铅电池和镍镉电池。

是Stanley Whittingham把金属锂带入了电池,也是它成为了这个故事的主角。他将锂作为新电池的负极。

锂不是一个随机选择; 在电池中,电子应从负极(阳极)流向正极(阴极)。 因此,负极应包含一种易于释放电子的材料,而在所有元素中,锂是最容易释放电子的材料。

Stanley Whittingham的实验创造出了在室温下工作的可充电锂电池,并且具有巨大潜力。 之后,他前往纽约埃克森美孚总部,在大约十五分钟的会议之后,埃克森美孚管理团队决定:将利用Whittingham的发现开发出一种商业上可行的电池。

第一批可充电电池的电极中有固体材料,与电解质发生化学反应时会损坏电池。

石油危机激发Goodenough对电池的兴趣

John Goodenough幼年时在阅读方面有很大的障碍,他因而被数学和物理学所吸引。与1970年代的很多人一样,Goodenough感受到了石油危机的影响,希望为替代能源发展做出贡献,并因此进入了能源研究领域。

Goodenough了解到Stanley Whittingham的革命性电池,但他对物质内部的专门知识告诉他,如果用金属氧化物替代金属硫化物制造电池的正极,电池的潜力会更大。

他的研究小组开始寻找一种金属氧化物,要求是当它嵌入锂离子时能产生高压,但当锂离子被移除时,它不会崩溃。

这项系统性的研究比Stanley Whittingham所预期的要成功得多。Goodenough用钴酸锂作为电池正极材料,所制成的电池功率几乎达到4伏。

1980年,他发表论文介绍了这种新型正极材料,它的重量很轻,却能生产出功能强大的高容量电池。

Goodenough开始在锂电池的正极中使用钴酸锂。 这使电池的潜力翻倍,并使其功能更强大。

吉野彰制造首款商业上可行的锂离子电池

吉野彰最初在Goodenough的基础上,用钴酸锂作为电池的正极,并尝试使用各种碳基材料作为负极。后来,他在负极中使用石油工业的副产品——石油焦。结果显示,他以此开发出的电池更为稳定,而且重量轻、容量大,能明显产生4伏电压。

这类电池的工作原理不基于任何有害的化学反应,而是依靠锂离子在电极之间来回流动,使用寿命很长,在性能下降之前可以充电数百次。另一个很大的优势是。这类电池中没有使用纯锂,保障了安全性。

吉野彰开发了第一个商业上可行的锂离子电池。

1991年,日本一家大型电子公司开始销售第一批锂离子电池,这引发了一场电子革命。此后,手机变得越来越小,电脑变得更加便携,MP3播放器和平板电脑也得到了发展。

近年来,世界各地的研究人员都在寻找更好的电池,但还没有人成功地发明出超过锂离子电池的高容量、高电压的电池。

与此同时,锂离子电池也得到了改进,例如John Goodenough用磷酸铁取代了钴酸锂,使电池更加环保。

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