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关于锂电池,你知道多少?一起图个明白

发布时间:2019-10-21 20:11:07观看次数:50

  北京时间10月9日傍晚,瑞典皇家科学院宣布,2019年诺贝尔化学奖授予美国得州大学奥斯汀分校教授古迪纳夫(John B. Goodenough)、纽约州立大学宾汉姆顿分校教授惠廷厄姆(M. Stanley Whittingham)和日本化学家吉野彰,以表彰他们在锂离子电池领域的贡献。

  三人将平分900万瑞典克朗(约合人民币647万元)的奖金。诺奖委员会评价,“他们创造了一个可充电的世界”。

  10月9日,在位于斯德哥尔摩的瑞典皇家科学院,一个屏幕上显示2019年诺贝尔化学奖的获得者信息。新华社发

  值得一提的是,古迪纳夫生于1922年,今年已97岁高龄,此次获奖,也刷新了诺奖的年龄纪录。

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  “创造了可充电的世界”

  “陪跑”多年的锂离子电池研究今年终于获得了诺贝尔化学奖。

  今年奖项颁出后,学界纷纷表示,三位学者获奖为“众望所归”。华东师范大学化学与分子工程学院教授姜雪峰评论说,三位诺奖得主,在锂离子电池的基本模型构建,以及产业推广方面,都起到重要作用。

  诺奖委员会评价称,锂离子电池自从1991首次进入市场以来,已经彻底改变了我们的生活。今天,手机、照相机乃至电动汽车,以及心脏起搏器等,最主要的能量来源都是锂离子电池。

  此外,锂离子电池还被广泛用于其他可再生能源的储存,比如太阳能和风能,从而有力减少了温室气体排放。

  锂离子电池是一种二次电池,也就是俗称的可充电电池。在电池内部,锂离子(带电的原子)沿着两个电极之间的路径运动,从而产生电流。

  “锂原子有一个独特的性质,它的外层只有一个电子,非常容易丢失。锂电池就是利用锂原子容易失去电子的性质,让电子在外部电线进行传输,给需电设备进行供能。”姜雪峰如此解读锂电池的原理。

  姜雪峰介绍,电池如果想循环使用,就需要把电子的得失变成一个可逆的过程,这就需要选择电池的正负极材料。“可以看到,三位科学家在锂电池发展过程上一直使用不同的材料来解决这样的问题。”

  今天的锂离子电池的设计基础是在1970年代的石油危机期间奠定的。当时,供职于能源企业埃克森的惠廷厄姆,起草了锂电池的初始设计方案,采用硫化钛作为阴极材料,金属锂作为阳极材料,制成了首个新型锂电池。

  诺奖委员会成员、瑞典林奈大学化学系教授拉姆斯特罗姆在发布会上介绍,惠廷厄姆的金属锂电池的电势达2V。“我们今天用的碱性电池只有1.5V,所以从电势来说,这种电池已经相当好。”拉姆斯特罗姆说。

  1980年,另一名诺奖获得者古迪纳夫,发现钴酸锂可以作为锂离子电池的阴极材料。这种材料电势更高,达到4V——正如颁奖词中所说,“将锂电池的电势翻了一番”。

  到今天为止,钴酸锂仍然是锂离子电池阴极材料中使用最广泛的材料。而且古迪纳夫还研发了磷酸铁锂等新型锂电池材料,他也被尊称为“锂电池之父”。

  解决安全问题:正式走入商用

  锂是一种非常活泼的元素,为了避免同空气反应,纯锂一般要被保存在油中。这也意味着,电池使用金属锂会存在安全隐患;惠廷厄姆的早期试验中,电池短路爆炸是常事。这也是上述锂电池还无法走出实验室的原因之一。

  科学家一直在寻找驯服锂的方式。

  在上世纪80年代,日本消费电子产业发达,因此迫切需要一种轻质,且可反复充电的电池,为便携式摄像机、无线电话和移动计算机供电。

  供职日本旭化成公司的化学工程师吉野彰从古迪纳夫的研究出发,试图找到一种可安全商用的锂离子电池。他按照古迪纳夫的理论模型,用钴酸锂作为阴极,并尝试使用各种碳基材料作为阳极。吉野彰在对电池的安全性进行测试时,他非常小心谨慎,甚至将检测工作放在一间专门用于爆炸物检验的房间内进行。

  1985年,吉野彰将阳极中的反应性锂替换为碳基材料石油焦,从而彻底消除金属锂,完成世界最初可商业化的含锂碱性锂离子电池。

  解决了安全问题,也就意味着锂电商用时代的到来。这种安全的新型锂离子电池,被索尼公司看中。1991年,索尼和旭化成发布了世界上首个商用锂离子电池,就此掀开消费电子产品的“锂离子电池革命”。

  诺奖委员会评论,这种“轻巧耐用的电池,在其性能下降之前,可以充电数百次。”

  【记者】王诗堃

  【漫画】杨佳

  【制图】邱洪添

  【统筹】李卓

  【策划】郑幼智 张志超




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