創(chuàng)造可充電的世界

青云

如果沒有鋰電池，這個(gè)世界會(huì)怎么樣？或許我們最直觀的感受是：沒有小巧輕便的智能手機(jī)可用了！鋰電池的出現(xiàn)，讓我們可以隨身攜帶一些小電器，這當(dāng)然包括幾乎每天都離不開的智能手機(jī)，還有筆記本電腦、平板電腦、充電寶、電動(dòng)牙刷等，甚至越來越多的新能源汽車也主要依賴鋰電池供電。

目前，有數(shù)以萬計(jì)的科學(xué)家在研究對(duì)我們?nèi)粘Ｉ町a(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的鋰電池。其中具有開創(chuàng)性貢獻(xiàn)的3位科學(xué)家獲得了2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，他們分別是美國(guó)科學(xué)家約翰·古迪納夫、斯坦利·惠廷厄姆和日本化學(xué)家吉野彰。諾貝爾評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)稱三人的獲獎(jiǎng)原因是：“他們創(chuàng)造了一個(gè)可充電的世界。”

電池儲(chǔ)電歷史由來已久

1752年，美國(guó)科學(xué)家富蘭克林著名的“風(fēng)箏引電”實(shí)驗(yàn)開啟了人類對(duì)電的研究。然而，人們起初只知道如何直接利用電能，卻不知道如何將其儲(chǔ)存起來。1800年，意大利物理學(xué)家伏打把許多對(duì)圓形的銅片和鋅片相間地疊起來，并在每一對(duì)銅鋅片之間放上一塊用鹽水浸濕的麻布片，接著把這些金屬片用導(dǎo)線相連就產(chǎn)生出了電流。這是人類歷史上第一個(gè)真正的發(fā)電器，也就是電池組，也叫“伏打電堆”。

1859年，法國(guó)物理學(xué)家普朗泰發(fā)明了鉛蓄電池，這一發(fā)明至今還用于不少工業(yè)機(jī)械中。1860年，法國(guó)的雷克蘭士發(fā)明了“濕電池”，它的負(fù)極是鋅和汞的合金棒，正極是一個(gè)盛著電解質(zhì)溶液的杯子。1886年，俄羅斯人蓋斯將鋅片做成圓筒形來盛裝電解質(zhì)，又將面粉和淀粉作為電解質(zhì)溶液的凝膠劑，從而制造出可以隨身攜帶的干電池。

1898年，瑞典人尤格涅爾發(fā)明了鎳鎘電池，目前仍被廣泛使用。1941年，法國(guó)人安德烈發(fā)明了微型紐扣電池（又稱鋅銀電池），它們被廣泛用于電子手表、遙控器、主板等中。1960年，美國(guó)一家公司發(fā)明了可充電的干電池，現(xiàn)在部分小電器還在使用。

有些危險(xiǎn)的鋰金屬電池

20世紀(jì)70年代，石油危機(jī)催生了對(duì)新能源儲(chǔ)能的需求，也推動(dòng)了電池的研發(fā)。雖然石墨已被證明是迄今用于制作陰極最好和最可靠的物質(zhì)，但它容納的離子數(shù)量有限。因此，研究人員希望用鋰來取代石墨，因?yàn)樗梢匀菁{更多的離子。此后發(fā)展出來的鋰電池大致可分為2類：鋰金屬電池和鋰離子電池。世界上首塊鋰電池是鋰金屬電池，于1976年由惠廷厄姆發(fā)明，其負(fù)極材料為金屬鋰，正極材料為硫化鈦。

惠廷厄姆供職的埃克森美孚公司申請(qǐng)了世界上第一個(gè)鋰電池的發(fā)明專利，但卻沒有對(duì)其進(jìn)行投產(chǎn)，因?yàn)榛萃⒍蚰钒l(fā)明的電池是無法直接使用的，其中存在著明顯的成本問題和安全問題。這種電池的正極是伴有惡臭與毒性的二硫化鈦，當(dāng)時(shí)每千克的售價(jià)是1000美元;這種電池的負(fù)極是易燃易爆的金屬鋰，它還會(huì)快速沉積讓電池短路，引發(fā)電池過熱，從而出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象。顯然，惠廷厄姆的新發(fā)明并不適合用來生產(chǎn)大眾使用的電池。不過，諾貝爾評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)并沒有因?yàn)榛萃⒍蚰返碾姵夭粚?shí)用而忽略其開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。

雖然自誕生之日起，鋰金屬電池就由于其安全性而未能進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，但是科學(xué)家一直沒有放棄對(duì)它的研究。2016年，美國(guó)麻省理工學(xué)院的一家公司開發(fā)出新型鋰金屬電池，它以超薄的鋰金屬箔為負(fù)極，以聚合物導(dǎo)電陶瓷為正極，從而極大地縮小了電池體積。從理論上來說，如果電池體積不變，在搭載鋰金屬電池的情況下，電動(dòng)汽車的續(xù)航里程將提升一倍。

科學(xué)家還在探索鋰空氣電池的應(yīng)用可能性，它將金屬鋰作為負(fù)極，用碳基多孔電極作為正極，以空氣中的氧氣作為正極反應(yīng)物質(zhì)。鋰空氣電池的充放電過程類似于植物的新陳代謝過程：在放電過程中，電池吸收空氣中的氧氣，鋰在負(fù)極失去電子而成為鋰離子;充電過程正好相反，鋰離子成為金屬鋰，并生成氧氣擴(kuò)散在空氣中。因此，鋰空氣電池被稱為“會(huì)呼吸的電池”。

比較安全的鋰離子電池

由于鋰金屬電池具有一定的危險(xiǎn)性，人們一度對(duì)鋰電池的應(yīng)用前景心存懷疑。而鋰離子電池的出現(xiàn)則大大提升了鋰電池的效率和安全性，我們現(xiàn)在所用的鋰電池也主要是鋰離子電池。甚至有人聲稱，如果沒有鋰離子電池的出現(xiàn)，我們每天形影不離的手機(jī)就是個(gè)隨時(shí)可能點(diǎn)燃的炸藥包。自20世紀(jì)90年代起，鋰離子電池開始大規(guī)模進(jìn)入市場(chǎng)，如今它已無處不在。

在惠廷厄姆發(fā)明的基礎(chǔ)上，古迪納夫產(chǎn)生了一個(gè)巧妙的設(shè)想：把鋰金屬換成鋰的氧化物，因?yàn)殇嚨难趸锸址€(wěn)定，不會(huì)燃燒或爆炸，而且可以讓電池在更高的電壓下進(jìn)行充電和放電，產(chǎn)生更多的電量。1980年，古迪納夫發(fā)現(xiàn)，作為正極材料，鈷酸鋰比之前的二硫化鈦更適合存儲(chǔ)鋰離子。

與此同時(shí)，吉野彰發(fā)現(xiàn)石油焦炭可作為更好的負(fù)極。在他因找不到合適的正極材料而苦惱時(shí)，古迪納夫的論文給他帶來了靈感。1983年，吉野彰利用鈷酸鋰制造出了世界上第一塊可充電的鋰離子電池。1985年，經(jīng)過吉野彰進(jìn)一步改進(jìn)的鋰離子電池獲得專利。

1991年，古迪納夫和吉野彰合作發(fā)明的鋰離子電池正式上市銷售，它輕巧耐用、安全可靠，在性能下降前可充放電數(shù)百次。他們生產(chǎn)的第一代商用鋰離子電池，以石墨為負(fù)極材料。2007 年，科學(xué)家又制成了以硅石墨復(fù)合材料為負(fù)極的鋰離子電池，儲(chǔ)電性能也大大增強(qiáng)。

給予我們清潔的未來

諾貝爾委員會(huì)成員奧洛夫·拉姆斯特倫評(píng)價(jià)古迪納夫等人的獲獎(jiǎng)成果時(shí)說：“這一神奇電池所帶來的巨大的、驚人的社會(huì)影響有目共睹。”而諾貝爾委員會(huì)的評(píng)語為：這一獲獎(jiǎng)研究有助于我們從由化石燃料驅(qū)動(dòng)的生活方式轉(zhuǎn)向由電能驅(qū)動(dòng)的生活方式，這對(duì)于應(yīng)對(duì)氣候變化也至關(guān)重要，因此極大地推動(dòng)了人類的發(fā)展。

目前，鋰電池被廣泛應(yīng)用于水力、火力、風(fēng)力和太陽能電站等儲(chǔ)能電源系統(tǒng)，還被應(yīng)用于郵電通信、電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車、電動(dòng)摩托車、電動(dòng)汽車、軍事裝備、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域。鋰電池未來最重要的應(yīng)用領(lǐng)域是電動(dòng)汽車。電動(dòng)汽車的出現(xiàn)比我們想象的要早，1882年，法國(guó)人特魯夫就已經(jīng)用馬車改裝出了世界上第一輛鉛酸蓄電池電動(dòng)汽車，但蓄電池不給力始終是阻礙電動(dòng)汽車發(fā)展的最大問題。而大容量鋰離子電池的出現(xiàn)，使電動(dòng)汽車的推廣成為可能。我們相信，在古迪納夫等科學(xué)家的共同努力下，人類將擁有清潔的未來。