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锂电池,人人不离手的诺奖发明

2019-10-31叶臾

环球人物 2019年20期
关键词:阴极锂离子锂电池

叶臾

一年一度的诺贝尔奖在万众期待中依次揭晓,拿下诺贝尔化学奖的古德伊纳夫、惠廷厄姆和吉野彰成了今年最受追捧的对象。究其原因,除了这三位得奖者的人生故事精彩以外,还因为他们研究的锂电池与生活息息相关。我们每个人的手机里都有一块锂电池,离开了它,现代人简直没法活。

锂是密度最小的金属,具有最高的能量重量比,这意味着它可以用最轻的体积产生最高的电压。因为这种特性,20世纪初化学家们就开始研究制造锂电池的可能性。不过,锂元素非常活跃,无论是加工还是保存都对环境要求比较高,尤其是在有水或有氧气的条件下,很容易燃烧或爆炸。这在一定程度上限制了锂电池的应用,因此在很长一段时间里,鋰电池研究并未得到足够重视。

1973年,西方世界出现了石油危机,很多国家迫切地寻找化石替代能源和更好的储能方式,锂电池重新进入了科学研究视野。当时在美国埃克森石油工作的惠廷厄姆知道锂很容易释放电子,非常适合做电池阳极,而他需要找到能够在阴极捕获锂离子的高密度材料。后来他发现二硫化钛非常适合,于是有了最早的锂电池,其电量存储是铅酸电池的10倍、镍铬电池的5倍。

不过,惠廷厄姆的成果存在一个致命缺陷,就是如果给他的锂电池反复充电,金属锂就会从阴极跑出来,可能导致短路,引发爆炸等事故。所以,这种锂电池无法得到广泛应用。

接下来,古德伊纳夫登场了。当时在牛津大学任教的他认为只有把阴极换成其他材料,锂电池的潜力才能真正发挥。1980年,他用钴酸锂替代结构相似的二硫化钛,不仅解决了短路问题,还实现了重复充电,电池功率达到了初期的两倍。

几乎同时,日本企业也加强了锂电池研发。旭化成株式会社的吉野彰继承了古德伊纳夫的研究成果,在阴极继续使用钴酸锂,但在阳极改用可以储存锂离子的碳基材料。通过这一改进,整个电池彻底消除了纯锂,只剩下锂离子。从锂电池到锂离子电池的这一步跨越,不仅让锂电池变得更加安全,也为其大规模商用创造了条件。

新技术从发明到落地都需时日。直到1991年,索尼公司才在世界上首次将锂电池运用到实际电子产品中,而锂电池产业迎来真正的大爆发则是4年之后。1995年,微软推出了新的操作系统,大大推动了笔记本电脑市场的规模,手机和互联网时代也拉开序幕,锂电池销量呈几何级增长。进入21世纪后,电动汽车成了锂电池的另一重要应用领域。特斯拉等公司以锂电池为动力,开启了新能源汽车的新时代。

尽管锂电池有很多优势,但随着社会发展,其瓶颈也越来越明显。例如,安装锂电池的新能源汽车在续航方面不能满足消费者需求;有瑕疵的锂电池仍会发生爆炸事故;被废弃的锂电池也是一个潜在污染源。

现在,科学家正在寻找更清洁的能源和更好的能源储存方式,这将是一场持久战。从目前看,未来很长一段时间,锂电池仍将在生活中扮演重要角色,直到更先进的科学产品将其替代。

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