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在远隔重洋的日本,吉野彰研发的阳极材料和古迪纳夫的阴极材料形成“天作之合”。吉野彰发现,石油焦炭可作为更好的阳极,但因找不到合适的阴极材料而苦恼。直到他读到古迪纳夫的论文,才兴奋地说“他的发现给了我所需要的一切”。至此,以钴酸锂为阴极,以碳材料为阳极的锂离子电池诞生了。

在20世纪70年代,世界范围内爆发了石油危机,能源研究开始兴起。此时斯坦利·惠廷厄姆正在研究无化石燃料的能源技术。他和同事发现了锂离子可以在电极间来回穿梭,具备了充电能力,并能在室温下工作。在研究超导体时,他发现了一种能量极其丰富的材料,由二硫化钛制成,在分子水平上具有可以容纳(嵌入)锂离子的空间。他将这种材料放在锂离子电池的阴极,阳极部分则由金属锂制成,成功研制出了锂离子电池。可是,金属锂具有强烈的反应性,电池很容易爆炸,无法使用。

未来电池寿命更长、成本更低、更安全

诺贝尔委员会成员奥洛夫·拉姆斯特伦评价获奖成果时说:“这一神奇电池所带来的巨大的、惊人的社会影响有目共睹。”诺贝尔委员会还说,获奖研究有助于我们从由化石燃料驱动的生活方式转向由电能驱动的生活方式,对于应对气候变化也至关重要。

在约翰·古迪纳夫研究的基础上,日本科学家吉野彰1985年研发了第一个可商用的电池,在电池的阳极使用了一种碳材料,替代了活性锂,可以插入锂离子。结果制成了重量轻、坚固耐用的电池,在其性能下降之前可以充电数百次。锂离子电池的优点在于,它们不是基于分解电极的化学反应,而是基于锂离子在阳极和阴极之间来回流动。

2019年度诺贝尔化学奖将荣誉颁给锂离子电池的研发。这种重量轻、可充电、功能强大的电池被广泛应用于从手机到笔记本电脑和电动汽车等各个领域。来自美国和日本的三位科学家因在锂离子电池研发领域的贡献,共享今年的诺贝尔化学奖。其中,约翰·古迪纳夫出生于1922年,今年97岁高龄的他被誉为“锂离子电池之父”,他也是诺奖最年长的获奖者。

本届诺贝尔化学奖花落锂离子电池可谓众望所归。早在20世纪70、80年代,三位获奖研究者就确立了现代锂离子电池的基本框架,20世纪90年代起,锂离子电池开始大规模进入市场,如今已几乎无处不在。

“现在大部分的便携式电子设备,比如笔记本电脑、手机和iPad等,还有我国正在大力推广的新能源电动汽车,都离不开锂离子电池,应用非常广泛。可以说它的作用就相当于是脱离电网运行的电子、电气设备的动力‘心脏’,其重要性是不言而喻的。”金钟说。

锂离子电池主要由阴极、阳极、电解液、隔膜、外电路等部分组成,依靠锂离子在阴阳极之间的移动产生电流。电池阴阳极材料的选择对于能效和安全性至关重要。目前最普遍的可充电锂离子电池,使用钴酸锂材料为阴极,碳材料为阳极,具有能量密度高、循环寿命长、安全可靠等优点。

1991年,两人合作发明的锂离子电池正式上市销售,它轻巧耐用、安全可靠,在性能下降前可充放电数百次。

这个时候,约翰·古迪纳夫预测,如果使用金属氧化物制成电池的阴极,而不是金属硫化物,将具有更大的潜力。经过系统的搜索,他在1980年证明了嵌入锂离子的氧化钴可以产生多达4伏的电压。他使锂离子电池体积更小、容积更大、使用方式更稳定,从而实现商业化,同时也开启了电子设备便携化进程。

当获奖后接受采访回答研究初衷时,吉野彰说自己完全是“好奇心驱使”,研究是一个漫长的过程,“我只不过是嗅出了潮流发展的方向,你可以说我的嗅觉很好”。

如今,锂离子电池应用已经遍布普通人身边,但科学探索仍在继续。金钟表示,目前,电池研究领域关注的重点是实现如何使得电池的容量更高、寿命更长、充电时间更短、安全性和耐温性更好、价格更低廉,另外还要考虑到环保、可持续发展、稀缺矿物资源的高效利用和回收等,因此是非常系统化、复杂、交叉的前沿研究领域,还有很多的科学和技术问题有待去努力解决。

2019年度诺贝尔化学奖将荣誉颁给锂离子电池的研发。这种重量轻、可充电、功能强大的电池被广泛应用于从手机到笔记本电脑和电动汽车等各个领域。来自美国和日本的三位科学家因在锂离子电池研发领域的贡献,共享今年的诺贝尔化学奖。其中,约翰·古迪纳夫出生于1922年,今年97岁高龄的他被誉为“锂离子电池之父”,他也是诺奖最年长的获奖者。

“现在大部分的便携式电子设备,比如笔记本电脑、手机和iPad等,还有我国正在大力推广的新能源电动汽车,都离不开锂离子电池,应用非常广泛。可以说它的作用就相当于是脱离电网运行的电子、电气设备的动力‘心脏’,其重要性是不言而喻的。”金钟说。