锂电池对我们的生活来说,有多重要?
不可或缺。智能手机能有一天的续航,笔记本能做到比一枚硬币还「薄」,电动车能一次性开数百公里,太阳能和风能可以被存储......都离不开锂电池的帮助。
正因如此,它的发明者,斯坦利·威廷汉(Stanley Whittingham)、约翰·古迪纳夫(John Goodenough)及吉野彰(Akira Yoshino),昨天被授予诺贝尔化学奖。
今年97岁的古迪纳夫
是至今为止诺贝尔奖的最年长获奖者
诺贝尔委员会表示:锂离子电池已经彻底改变了我们的生活,从手机到笔记本电脑和电动汽车,锂离子电池无处不在。今年诺贝尔化学奖获奖者的工作为无化石燃料的社会奠定了基础。
在锂电池被发明前,大家用得较多的,是铅酸蓄电池。诞生于1859年的它,技术成熟、价格便宜、工艺简单、维护方便,直到今天还被普遍使用。
很多电动三蹦子上用的就是它。
但如果把铅酸蓄电池用在一些便携设备上,就会暴露出一个巨大的问题:能量密度太低!
与现在常用的 NCM622 锂离子电池相比,铅酸蓄电池的重量能量密度与体积能量密度,都低 4 倍左右。镍镉电池、镍氢电池等的能量密度也好不到哪去。
所以,要是没有锂电池;那我们的手机真就比板砖还厚,笔记本恐怕得大力士才搬得动,电动汽车跑个几十公里就要趴窝。
18000mAh电池的Power Max P18K Pop手机
不过,锂电池研发的初衷,却并非是为了研究出高能量密度电池。
上世纪70年代,因石油引发的危机以及雾霾天气,让汽车制造商和石油公司开启锂电池研究,希望以此代替石油资源。
这次诺奖获得者之一的斯坦利·威廷汉,那会儿正好在埃克森美孚工作,他采用硫化钛作为正极材料,金属锂作为负极材料,制出了首个锂电池。
但当时的锂电池,不仅无法充电,还因为采用活泼的金属锂做负极,容易发生化学反应,导致电池爆炸,让无数人谈「锂」色变。
随身带着个「不定时炸弹」,这谁顶得住啊!
这种尴尬的情况,一直持续到1980年。另一位诺奖获得者约翰·古迪纳夫,带领团队在英国牛津大学,找到了层状氧化物正极材料——钴酸锂。
相比金属锂这个发疯的公牛,对空气等不敏感的钴酸锂,乖巧的像个得了糖果的小孩。而且,钴酸锂还可以拔高电池的使用电压,从而提升电池储存的电量。
然而,或许是之前的爆炸,让人们对锂电池产生了心魔。当时整个西方世界竟然没有一家企业敢接这个发明,甚至牛津大学自己都不愿意为钴酸锂发现申请专利。
牛津大学发现钴酸锂的实验室外竖起的纪念碑
古迪纳夫没办法,最后找到另一个实验室帮忙,勉强拿下了专利。
但有了正负极材料,并不意味着就能有可用的电池,需要有人将所有这些材料集成成为可用的器件。
同样获得诺奖的吉野彰站了出来。他没有在阳极中使用反应性锂,而是使用了石油焦炭,这种碳材料,可以像阴极的氧化钴一样,让锂离子嵌入。最后成功创建了首个商业上可行的锂离子电池。
于是,人们看到了一种环保、重量轻、体积小且坚固耐用的电池,在其性能下降之前甚至可以充电数百上千次。
1991年,索尼公司率先将锂电池商用,很快电子行业便掀起了一场革命,我们的生活也随之改变。
现在,几乎没人能说自己离得开锂电池。它的发明支撑了人类社会高新技术的不断发展。
当然,人们对锂电池的研究,并没有因为索尼的商用而停止——在这几十年间,锂电池仍在不断进化。
拿古迪纳夫来说,因其谦逊的性格及姓氏翻译(Goodenough),他被大家诙谐地称为「足够好」老爷子。
1997年,75岁的他,还和团队开发了另一种更加稳定安全的正极材磷酸铁锂,它是目前电动汽车、电动大巴、大规模储能、通信基站、数据中心等所用电池的主流材料。
更让人惊讶的是,现年97岁的老爷子,仍活跃在一线研究领域,研究电池电量不够用的问题。他表示:
我的工作还没有完成。在钴氧化物阴极发明 35 年后,电动能源汽车在价格上仍然不能与传统的内燃机汽车竞争。而太阳能和风能发电的储存成本太高,只能立即使用。我们的前景不容乐观。
他和无数科研人员一起,在研发新的正负极材料。目前比较好的发展方向,是固态锂电池,它的性能有望更好,而且更安全。
而在未来,随着锂电池能量密度的提高,智能手机、笔记本、电动汽车的续航问题,或许不再会困扰我们,电动飞机也将变得可行。
感谢三位诺奖获得者,他们为我们创造了一个可充电的世界;也感谢那些正推动这一领域继续前进科学家和工程师,他们让锂电池的未来,有了无限的可能