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    詳解2019諾貝爾化學獎:他們發明了世界最強大的電池

    放大字體??縮小字體 發布日期:2019-10-11
    核心提示:10月9日消息,瑞典皇家科學院決定將2019年諾貝爾化學獎授予約翰古迪納夫(John B。 Goodenough)、斯坦利威廷漢(M。 Stanley Wh
        10月9日消息,瑞典皇家科學院決定將2019年諾貝爾化學獎授予約翰·古迪納夫(John B。 Goodenough)、斯坦利·威廷漢(M。 Stanley Whittingham)和吉野彰,以表彰他們對鋰離子電池的研究。這種可充電電池為手機和筆記本電腦等無線電子產品奠定了基礎,還使一個無化石燃料的世界成為可能。從為電動汽車提供動力,到儲存可再生能源,鋰離子電池展現出了廣泛的用途。


    引言

        電能為我們的生活提供了能量,無論何時何地,我們都需要電能。如今,即使附近沒有電源插座,我們也可以十分方便、高效地獲取電能。我們的移動方式越來越無拘無束,對電線的依賴也越來越少,可以在一個可能更健康的環境中享受高機動性。這一令人矚目的發展是由高效的儲能設備實現的。高容量電池使各種電動工具和車輛成為可能。原則上,我們都可以便捷地使用手機、相機、筆記本電腦、電動工具等,依靠高效的電池為它們提供動力。隨著現代電池技術的發展,電動汽車也越來越受歡迎。我們正處在擺脫化石燃料汽車的時代。此外,有效的能源儲存是對不穩定的能源(如風能和太陽能)的重要補充。有了電池,供需鏈可以隨著時間的推移而平衡,即使在沒有能源產出的情況下也是如此。

       在很大程度上,鋰離子電池使這些發展成為可能。這種電池徹底改變了能量存儲技術,并促成了移動革命的實現。通過鋰離子電池的高電勢,高能量密度和高容量,這種電池類型為改善我們的生活做出了巨大貢獻,并將在未來幾年繼續發揮作用。然而,總體而言,電池的發展非常艱巨且具有挑戰性,尤其是鋰電池。自1800年亞歷山德羅·伏特提出他著名的“電池堆”以來,無數的科學家和工程師為電池的開發投入了巨大的努力。

       從基本結構上,電池的工作原理是相對簡單的。電池由兩個電極組成,每個電極連接到一個電路,電解液可以容納帶電的物質。通常情況下,電極之間被一種隔離材料隔開,這種隔離材料可以防止電極之間的物理接觸,從而避免電池短路。在放電模式下,當電池驅動電流時,負極(陽極)發生氧化過程,導致電子從電極流出并穿過電路。在正極(陰極)會發生一個互補的還原過程,從電路中獲得電子。電池電壓很大程度上取決于電極的電勢差,整個過程是自發的。對于可充電電池,這一過程可以逆轉,外加電流可作用于電極,產生互補的氧化還原反應。這個過程是非自發的,需要能量輸入。

        許多在學術界、工業界甚至是獨立工作的科學家和工程師都為電池的發展做出了貢獻,他們也深深理解開發高效電池是一項非常困難的任務。因此,電池發展相對緩慢,只有極少數有效的電池配置在設計成功后應用多年。例如,我們仍然依賴于19世紀中期發明的鉛酸電池。盡管如此,通過一系列突破性的多學科科學發現,包括電化學、有機和無機化學、材料科學等,研究人員解決了諸多挑戰,終于鋰離子電池成為現實,從根本上改變了我們的世界。


    背景

       一種元素很少在戲劇中扮演核心角色,但2019年諾貝爾化學獎的故事中,有一個明確的主角:鋰。這是一種在大爆炸的最初幾分鐘內產生的古老元素。1817年,當瑞典化學家Johan August Arfwedson和Jns Jacob Berzelius從斯德哥爾摩群島烏托礦(Ut Mine)的礦物樣本中提純出這種物質時,人類才知道它的存在。

       Berzelius將這種新元素命名為“lithos”,這個詞在希臘語中意思是“石頭”。盡管名字很厚重,但它卻是最輕的固體元素。這也正是我們有時幾乎不會注意到手機的原因。

        更確切地說,瑞典化學家實際上并沒有發現純金屬鋰,而是發現了一種鹽形式的鋰離子。純鋰引發了許多火災警報,尤其是在我們將要講述的故事中;這是一種不穩定的元素,必須儲存在石油中,這樣才不會與空氣發生反應。



       鋰是一種金屬,其外電子層只有一個電子,因此有很強的動力把這個電子留給另一個原子。當這種情況發生時,就會形成一個更穩定的帶正電荷鋰離子。

       鋰的弱點是反應性,但這也是它的優點。20世紀70年代初, 斯坦利·威廷漢開發了第一塊功能齊全的鋰電池,他利用了鋰釋放其外層電子強大驅動力。1980年,古迪納夫將電池的電勢提高了一倍,為開發更強大、更實用的電池創造了合適的條件。1985年,吉野彰成功地從電池中去除了純鋰,而是完全基于鋰離子,因為鋰離子比純鋰更安全。

       這使得鋰電池成為了實際可行的電池。鋰離子電池給人類帶來了巨大的好處,使筆記本電腦、手機、電動汽車以及太陽能和風能的儲存成為可能。

       我們將回到50年前,回到鋰離子電池最初的時代。


    石油陰霾使電池研究重獲新生



        最初的可充電電池的電極中含有固體物質,當它們與電解液發生化學反應時就會分解。這一過程會損毀電池。斯坦利·威廷漢的鋰電池的優點是,鋰離子儲存在陰極的二硫化鈦空間中。當電池使用時,鋰離子會從陽極的鋰流向陰極的二硫化鈦;而當電池充電時,鋰離子又會回流。

       20世紀中期,世界上使用汽油的汽車數量顯著增加,汽車排放的廢氣使大城市里的有害霧霾更加嚴重。與此同時,人們日益認識到石油是一種有限資源。這一切都為汽車制造商和石油公司敲響了警鐘。如果他們的企業要生存下去,就需要投資電動汽車和替代能源。

       電動汽車和替代能源都需要強大的電池來儲存大量的能量。實際上,當時市場上只有兩種類型的可充電電池:早在1859年發明的鉛酸電池(目前仍然用作燃油汽車的啟動電池)和20世紀上半葉發明的鎳鎘電池。


    石油公司投資新技術

       面臨石油枯竭的威脅,石油巨頭??松‥xxon)決定將其業務多樣化。在一項基礎研究的重大投資中,??松菊心剂水敃r在能源領域最重要的一些研究人員,讓他們可以自由地做幾乎任何想做的事情,只要不涉及石油。



       當以純鋰為陽極的電池充電時,會導致鋰枝晶的形成。這些鋰枝晶會使電池短路,引起火災甚至爆炸。

       斯坦利·威廷漢是1972年加入??松镜目茖W家之一。他來自斯坦福大學,從事某些固體材料的研究。這些材料中具有原子大小的空間,可以讓帶電離子附著在上面。這種現象稱為嵌入(intercalation)。當離子在材料內部被捕獲時,材料的性質就會改變。在??松?,斯坦利·威廷漢和同事開始研究超導材料,包括可以嵌入離子的二硫化鉭。他們在二硫化鉭中加入離子,并研究其電導率會受何影響。


       威廷漢發現了一種能量密度極高的物質

        就像科學上經常發生的情況一樣,這個實驗帶來了一個意想不到的發現。原來鉀離子會影響了二硫化鉭的電導率。當斯坦利·威廷漢開始詳細研究這種材料時,他觀察到它有非常高的能量密度。也就是說,鉀離子和二硫化鉭之間的相互作用具有驚人的能量。當威廷漢測量這種材料的電壓時,發現可達好幾伏,這比當時的電池好多了。斯坦利·威廷漢很快意識到是時候改變方向了,他轉向了能為未來的電動汽車儲存能量的新技術。然而,鉭是一種比較重的元素,而市場上不需要裝載更重的電池。因此,他用鈦代替了鉭,鈦的性質與鉭相似,但重量輕得多。


    作為負極的鋰



       古迪納夫開始在鋰電池的陰極中使用鈷氧化物。這幾乎使電池的電勢翻了一番,使其更加強大。

       于是,在鋰離子電池的故事中,鋰開始占據最重要的位置。作為斯坦利·威廷漢的新電池的負極,鋰并不是一個隨機的選擇。在電池中,電子應該從負極(陽極)流向正極(陰極)。因此,負極應該使用一種很容易失去電子的材料,而在所有的元素中,鋰是最愿意釋放電子的元素。

        這么做的結果就是,斯坦利·威廷漢開發出了一種可在室溫下工作的可充電鋰電池,它具有很大的電勢,也具有巨大的潛力。他前往??松挥诩~約的總部,就該項目進行了討論。會議持續了大約15分鐘,管理團隊隨后迅速做出決定:他們將利用斯坦利·威廷漢的發現開發一種具有商業可行性的電池。


       電池爆炸和油價下跌

       不幸的是,準備開始生產電池的小組遇到了一些困難。隨著新的鋰電池被反復充電,在鋰電極上開始出現薄層的鋰物質。當它們抵達另一個電極時,電池就會出現短路并引發爆炸。消防隊不得不多次出動撲滅火災,他們威脅要實驗室支付用于撲滅這些鋰電池大火所消耗的特殊化學物質的費用。為了讓電池更加安全,在金屬鋰電極中加入了鋁,兩個電極之間的電解液也進行了更換。

       斯坦利·威廷漢在1976年宣布了自己的發現,隨后電池開始為一家瑞士鐘表商進行小規模生產,并計劃將其用于太陽能驅動的鐘表當中。下一步的目標是擴充電池的容量,以便使其能夠為汽車充電。但是在1980年代初,石油價格突然出現顯著下降,??松拘枰鳒p成本。于是相關研究工作被停了下來,威廷漢所發明的技術被授權給了世界三個不同地區的三家不同的公司。但這并非意味著研究工作的終結。當??松痉艞壪嚓P工作之后,約翰·古迪納夫接手了。



       吉野彰研制出了第一款可商用鋰離子電池。他在陰極使用了古迪納夫的鋰-鈷氧化物,并在陽極使用了一種名為石油焦的碳基材料,該材料中也可以插入鋰離子。這款電池在發揮功能時,并不會發生破壞自身的化學反應。相反,鋰離子可以在電極之間來回流動,使電池壽命大大延長


       石油危機讓古迪納夫開始對電池技術感興趣

       還是一個孩子時,古迪納夫在閱讀方面存在明顯障礙,這也是為何他會被數學吸引,并最終,在二戰結束之后,開始研究物理學的原因之一。他在美國麻省理工學院林肯實驗室工作多年。在此期間,他對隨機存儲器(RAM)的研究做出了貢獻,時至今日RAM依舊是我們計算機中不可或缺的部件。

       古迪納夫和上世紀1970年代的許多人一樣,都深深受到了石油危機的影響,于是他希望能夠為能源的替代選擇做出貢獻。然而,林肯實驗室是由美國空軍資助的,并不允許從事這類研究。因此,當他被提供一個在英國牛津大學擔任無機化學教授的機會時,他抓住了機會并最終一頭扎進了重要的能源研究領域之中。


       當鋰離子與氧化鈷結合時所產生的高電壓

       古迪納夫知道威廷漢發明的革命性的新電池技術,但他對于物質內部結構的專業知識告訴他,如果電池的陰極用金屬氧化物,而不是金屬硫化物來制作,那么陰極的電勢將可以更高一些。于是他的研究組的幾位成員被交代了一項任務,尋找合適的金屬氧化物,其應當可以在鋰離子作用下可以產生比較高的電壓,并且當這些離子被去除時也不會出現問題。

       這一系統性搜尋的結果要比古迪納夫原先設想的高得多。威廷漢的電池可以產生略多于2伏特的電壓,但古迪納夫發現,在陰極中使用鈷酸鋰材料的電池產生的電壓將可以提升兩倍,達到4伏特。在這其中的一項關鍵性發現是,古迪納夫意識到,電池并不需要保持在充電狀態下才能生產,而在此之前一直就是這樣做的。相反,它們可以在被制造出來之后再充電。在1980年,他對外公布了這項全新的,高能量密度的陰極材料。盡管它分量很輕,卻同樣可以制造出性能強勁的電池。這是人類進入移動時代的關鍵一步。


       日本公司迫切渴望輕質電池用于新型電子產品供電

       然而,在西方,隨著石油價格下探,對于尋找替代能源,以及開發不使用石油的電動車的投資熱情開始出現下降。但是在日本,情況就完全不同。電子公司拼了命想要得到一種輕質,且可反復充電的電池,用于為他們的便攜式攝像機,無線電話機和計算機供電。其中一個看到了這種巨大需求的人,便是日本旭化成株式會社的吉野彰。正如他自己所言的那樣:“這就像嗅出趨勢的大方向。你可以說,我這方面的嗅覺比較靈敏。”


       吉野彰開發了第一個可商用鋰離子電池

       當吉野彰決定開發一種功能性可充電電池時,他選擇了古迪納夫的鈷酸鋰作為陰極,并嘗試使用各種碳基材料作為陽極。此前研究人員已經證明,鋰離子可以插入到石墨的分子層中,但是石墨會被電池的電解液分解。當吉野彰嘗試使用石油焦(石油工業的副產品)時,他終于找到了靈感。他用電子給石油焦充電,發現鋰離子被吸進了材料中。然后,當他打開電池時,電子和鋰離子流向陰極的鈷酸鋰,而鈷酸鋰的電勢要高得多。

       吉野彰開發的電池具有工作穩定、重量輕、容量大的優點,能產生4伏的電壓。鋰離子電池最大的優點是離子能嵌入到電極上。其他大多數電池都是基于化學反應,而在化學反應中,電極會緩慢而穩定地改變。當鋰離子電池充電或放電時,離子在電極之間流動,不與周圍環境發生反應。這意味著電池的壽命更長,在充電數百次后性能才會下降。

        另外一個巨大的優勢在于,電池中不含有純的鋰。在1986年,當吉野彰在對電池的安全性進行測試時,他非常小心謹慎,甚至將檢測工作放在一間專門用于爆炸物檢驗的房間內進行。他向電池投擲一大塊鐵,但是什么也沒有發生。然而,當使用含有純鋰的電池進行重復試驗時,電池發生了劇烈爆炸。通過安全性測試對于這款電池的未來前景極為關鍵。正如吉野彰所言的那樣:這一刻,標志著鋰電池正式誕生了。


       鋰離子電池——在無需化石燃料的社會中不可或缺

       1991年,一家大型日本企業率先開始銷售鋰離子電池,在電子業引發了一場革命。手機體積得以縮小,電腦開始走向便攜,MP3音樂播放器和平板電腦也逐漸問世。

       在此之后,全世界的研究人員順著元素周期表展開了依次搜索,試圖研制出性能更優良的電池,但沒有一種電池能在電池容量和電壓上打敗鋰離子電池。不過,鋰離子電池近年來也一直在革新和改進。例如,古迪納夫將其中的氧化鈷換成了磷酸鐵,使電池變得更加環保。

       就像幾乎所有人類生產活動一樣,鋰離子電池的生產也對環境造成了一定影響,但也為環境帶來了巨大的益處。有了鋰離子電池,研究人員得以發明更清潔的能源技術和電動汽車,從而有力減少了溫室氣體和顆粒物的排放。

        古迪納夫、斯坦利·威廷漢和吉野彰通過他們的研究工作,為一個無線、無需化石燃料的新型社會創造了適當條件,極大地造福了全人類。

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