鋰電池得以大規(guī)模商用 這三位諾貝爾化學獎得主功不可沒
2019-10-10 19:17:30來源：鈦媒體編輯：鹿鳴君
原標題：鋰電池得以大規(guī)模商用 這三位諾貝爾化學獎得主功不可沒
10月9日，2019年諾貝爾化學獎發(fā)布，美科學家約翰·古迪納夫、斯坦利·惠廷漢姆和日本科學家吉野彰，因在鋰離子電池研發(fā)領域作出的貢獻而獲獎。
其中，美國得州大學奧斯汀分校的古迪納夫教授被譽為“鋰電池之父”，是鈷酸鋰、錳酸鋰和磷酸鐵鋰正極材料的發(fā)明人，現(xiàn)年97歲，也成為了諾貝爾獎史上年齡最大的獲獎者。
3位科學家研發(fā)的鋰電池，開啟了電子設備的便攜化進程。自從1991年鋰電池首次進入市場以來，它就不斷變革著全球消費者的生活。鋰電池可以儲存大量太陽能和風能等清潔能源，使無化石燃料社會成為可能。
追溯全球范圍內(nèi)鋰電池領域取得的成果，可謂充滿了傳奇色彩。
在鋰電池發(fā)明之前，不得不提的是1859年法國人普蘭特發(fā)明的經(jīng)典鉛酸蓄電池，如今依然被廣泛使用。然而，鉛酸蓄電池的弊病在于密度太低——鑒于汽車特殊的運用場景，電池的質(zhì)量與體積之比過小會影響電池的利用率，或是犧牲汽車后備箱的空間，因此鉛酸蓄電池無法作為電動車的能源使用，與此類似的還包括鎳鎘電池、鎳氫電池。
經(jīng)過元素周期表的排除法研究，可以發(fā)現(xiàn)鋰元素的儲量比較高；于是，鋰電池的研究開始成為全球許多國家的課題。
首先要提及的鋰電池領域的奠基人，是英國化學家惠廷漢姆。他在鋰電池領域所做出的杰出貢獻，是避開了早期“鋰轉(zhuǎn)化”(Conversion)所造成的化學鍵斷裂與重組給物質(zhì)帶來的結(jié)構(gòu)變化（熟悉的例子是不同結(jié)構(gòu)的碳：金剛石、石墨、C60等性能不同），運用另外一個技術路徑：鋰嵌入(Intercalation)來實現(xiàn)。
早期鋰電池可用上述反應表示，產(chǎn)生的“鋰枝晶”易導致電動車自燃
通俗易懂地講：以特殊的層狀材料作為宿主(hosts)，鋰離子(Li+)作為客人(guests)可以較為隨意地嵌入（Intercalation）或脫出，基本不影響宿主的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。
斯坦利·惠廷漢姆采用硫化鈦作為正極材料，金屬鋰作為負極材料，制成了世界上首個新型鋰離子電池。
此后，被稱為鋰電池之父的美國化學家古迪納夫披荊斬棘，以一己之力發(fā)現(xiàn)了大部分當下運用于生產(chǎn)生活的鋰電池的正極材料，他的科學生涯更是傳奇的一生。
年輕時，古迪納夫在美國耶魯大學就讀的專業(yè)是文學和數(shù)學，化學只是其大一的一門選修課，不過他在自然科學領域有著過人的天賦與不懈的追求。1943年，古迪納夫在耶魯大學獲得了數(shù)學系學士學位之后，打算開始攻讀物理學；不料二戰(zhàn)爆發(fā)，古迪納夫在戰(zhàn)時服役，戰(zhàn)爭結(jié)束后，他繼續(xù)攻讀物理學，并被教授們認為“超齡而難以在該領域內(nèi)取得成就”。
然而，古迪納夫并未就此氣餒，在取得固態(tài)物理博士學位后，1952至1976年間，他在林肯實驗室工作，并研究能原材料的相關工作。
在美國受阿拉伯國家石油禁運之際，能源問題的突出使年過半百的古迪納夫決定投身于鋰電池研究。繼惠廷漢姆發(fā)明了可充電卻在放電過程中易爆炸的鋰電池后，經(jīng)過反復實驗計算，古迪納夫發(fā)現(xiàn)了比先前的硫化鈦更適合做鋰電子電池陰極材料——層狀結(jié)構(gòu)的鈷酸鋰。
與此同時，第三位今年的諾貝爾化學獎獲得者——現(xiàn)年71歲的日本吉野彰就此登場。彼時，也在盡力攻克鋰離子電池難題的吉野彰已經(jīng)找到了適合的陽極材料，一直為陰極材料所困，直到他讀到了古迪納夫的論文。
吉野彰回憶，古迪納夫的發(fā)現(xiàn)給了其所需要的一切，鈷酸鋰能把現(xiàn)有的鋰鎘電池的重量縮減三分之一。在此基礎之上，吉野彰設計的鋰離子電池以碳基材料為陽極，以鈷酸鋰為陰極，完全去除電池中的金屬鋰，提高了安全性；此后，吉野彰又對鋰離子電池進行了多次技術改良，例如采用鋁箔做集流體，用聚乙烯薄膜做離子隔膜等。
1991年，兩人合作發(fā)明的鋰離子電池被索尼公司推向市場，標志著鋰離子電池的大規(guī)模使用。
與此同時，原本板磚一樣體積的“大哥大”不復存在，取而代之的是以鋰電池為電源的輕薄手機；目前國內(nèi)外電動汽車的蓬勃發(fā)展，無外乎也源于鋰電池的運用。
鋰電池大規(guī)模商用后，古迪納夫等科學家從未停止過對能原材料的研究。1996年，古迪納夫和另一位科學家Padhi發(fā)現(xiàn)了具有橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鹽，如磷酸鐵鋰(LiFePO4)，比傳統(tǒng)的正極材料更具安全性、耐高溫，鋰電子材料又進一步得到了發(fā)展。
縱覽電池發(fā)展的歷史，可以看出當前世界電池工業(yè)發(fā)展的三個特點：一是綠色環(huán)保：包括鋰離子蓄電池、氫鎳電池等；二是一次電池向蓄電池轉(zhuǎn)化，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略；三是電池進一步向小、輕、薄方向發(fā)展。
在商品化的可充電池中，鋰離子電池的比能量最高，特別是聚合物鋰離子電池，可以實現(xiàn)可充電池的薄形化。正因為鋰離子電池的體積比能量和質(zhì)量比能量高，可充且無污染，具備當前電池工業(yè)發(fā)展的三大特點，因此在發(fā)達國家中有較快的增長。
電信、信息市場的發(fā)展，尤其是移動電話和筆記本電腦的規(guī)模化生產(chǎn)，更給鋰離子電池帶來了市場機遇。不過，鋰電池的“技術革命”依然在路上，主要包括三個方敏依然有待革新：電池能量密度、功率密度和安全系數(shù)。
97歲的古迪納夫曾在中國學生黃云輝50歲生日的時候給學生送上祝福“Yunhui,50yearsisonlythebeginning.HappyBirthday”，這也正符合他自己知天命年紀才開始投身于能原材料研究并不懈鉆研的精神。
古迪納夫自己也表示還將工作5年，102歲退休。能源材料的科研前輩們老驥伏櫪、后輩們?nèi)瞬艥鷿磥恚滦碗娮舆€會不斷革新人類的生活。
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