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2019年诺贝尔化学奖史话:无处不在的锂电池,承载能源的未来!

阅读量:3849162 2019-10-27



锂电池的横空出世被视作电子工业能源的福音,但是如何应对增长惊人的功耗问题至今一直困扰着科学家。事实上,如果不是
Goodenough
——
“足够好”先生
等科学家对锂电池长久以来的改进,
锂电池的蓄电量和安全
会是更大的问题。

Goodenough从
耶鲁大学数学专业
毕业后,适逢二战,研究兴趣飘忽不定的他选择参军,被派往太平洋的一个海岛上收集气象数据。战后,
30岁
的Goodenough决心投身
物理
,在芝加哥大学攻读博士。毕业后Goodenough被推荐到麻省理工学院,成为林肯实验室的一名研究科学家。
1976年,Goodenough应邀前往牛津大学担任无机化学教授,同年,英国化学家
StanWhittingham
在电池领域取得重大突破,他和斯坦福大学的同事共同发现了在硫化钛层片之间存储锂离子的层状电极材料。锂离子可以在电极间来回穿梭,具备充电能力,并且可以在室温下工作。
随后Whittingham成功研制了新型锂电池,轻便和电量足的特性完全碾压了传统的碳锌电池和镍镉电池。但是
锂电池工作的电化学反应使它容易爆炸
。当过充时,电池可能自燃,而且电池也会在反复充放电过程中逐渐衰减。

了解锂电池存在的问题后,
Goodenough希望设计出一种更有效、没有致命缺陷的电池
。因为在麻省理工时十分熟悉金属氧化物材料,据他的经验判断,氧化物电极允许更高电压的充放电,从而可以储存更多能量而且不易爆炸。
1980年,Goodenough在牛津工作四年后,锂电池钴氧化物阴极材料实现巨大突破。这是世界上第一个可以给大型复杂设备供电的锂离子电池,质量远超市场上其它电池。这种电池存储的能量是市场上室温可充电电池的二到三倍,不仅体积更小而且性能相同甚至更好。
而在地球的另一端日本,
吉野彰
(AkiraYoshino)也在绞尽脑汁攻克锂离子电池难题。
他已经找到了合适的阳极材料,但苦于没有合适的阴极材料——直到他读到了Goodenough的论文

结合Goodenough的研究成果,吉野彰设计了一种锂离子电池,以碳基材料为阳极,以钴酸锂为阴极,完全去除电池中的金属锂,提高了安全性。这一技术范式确立了锂离子电池的基本概念。
为了改进锂离子电池性能,吉野彰又对锂离子电池进行了多次技术改良,例如采用铝箔做集流体,用聚乙烯薄膜做离子隔膜,对锂离子电池的电解质改进,使其能够提供更高的电压。

1991年

索尼
结合生产了世界上第一个商业化可充电锂离子电池,一夜之间轰动全球。索尼还将锂离子电池应用于相机,更加轻便美观的
索尼相机
很快风靡各地。
索尼的竞争对手把锂离子电池应用到
笔记本电脑和手机
上,形成了每年数十亿美元的产业。由此引发了锂离子电池研究的热潮,世界各地的实验室都开始寻找体积更小、储能更多的锂离子电池结构。

1982年,Goodenough的博士后MikeThackeray发现了性能更佳的锰尖晶石电极。之后Goodenough实验室又发现了一种自然形成的新型橄榄石结构——磷酸铁锂晶体,这种结构完美平衡了磷酸铁锂电极的氧化还原能与晶体中的锂离子迁移率,在此后的20年里得到了巨大的发展。
总而言之,Goodenough的实验室诞生了三种主要的可商业化的锂离子电池阴极材料。
如今,以
97岁
刷新诺贝尔奖最高获奖年龄的Goodenough似乎想以一个伟大的新发明为科学生涯画上句号。他正在研制一种真正能让电动汽车和内燃机汽车匹敌的超级电池,如果研制成功,将比现有的锂电池多存储60%的能量。

在锂电池的研究历程中,对电极材料的研究并非一帆风顺,研究过的失败材料不计其数,但正是在不断的试错过程中,才找到了可以使用的高性能材料。
科研很难总是一帆风顺,只有在自己的领域有深入研究,总结失败经验,才会有更大的概率得到成功结果。
纵观Goodenough从博士毕业到今天的研究历程,在辉煌的成果背后,也曾有长达十年的科研低谷,他在研究潮流中以敏锐冷静的耐心和毅力,结合自身的研究经历,深入研究锂电池的开发与优化,做出了原创性而极具价值的工作。另外,
年龄永远不是科研的限制,关键在于始终葆有热情、持之以恒地投入研究,97岁依然活跃在实验室的Goodenough就是极佳的例子

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