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锂电池是跨学科研究的重大突破

未来电池寿命更长、成本更低、更安全

从智能手机、笔记本电脑等消费电子产品,到电动车和风能、太阳能等大型储能装置,如今锂离子电池已成为我们生活中不可或缺的“能量源”。

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。

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。

南京大学化学化工学院教授吴强也在开展锂离子电池的相关研究。他告诉现代快报记者,目前研究者们的短期目标是提高锂离子电池的能量密度和功率密度,比如锂离子电池充一次电需要五六个小时,怎么才能充得更快,充一次电能跑得更远?更长期的研究目标在于延长锂离子电池的寿命、降低锂离子电池的成本,提高锂离子电池的安全性这三个方面。现在的锂离子电池充放电几百次可能就不能用了,如果能够充放电几千次上万次,就可以大大降低成本。因为锂资源比较稀缺,研究者们正在探索用钠离子、钾离子等更经济的金属离子取代锂离子,降低成本。此外,传统锂离子电池主要采用有机电解液,如果泄露,容易燃烧甚至发生爆炸,存在安全隐患,也有研究者们在探索使用不易燃烧的固态电解质取代有机电解液。

20世纪70年代的石油危机催生了对新能源储能的需求,也推动了电池研发,为未来锂离子电池打下基础。当时正致力于超导体研发的惠廷厄姆创新地使用二硫化钛作为阴极材料存储锂离子,以金属锂作为部分阳极材料,制成了首个新型电池。但由于金属锂化学特性过于活泼,这种电池具有易爆炸的潜在危险。

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。

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。

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”。

△2019年诺贝尔化学奖新闻发布会现场,三位科学家获奖。新华社发

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”。

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。

值得一提的是,本次诺贝尔化学奖颁给锂离子电池研究,再度印证了诺贝尔奖对跨学科研究的日益重视。诺贝尔委员会在颁奖现场接受新华社记者提问时说,未来可能更多的新发现来自于多学科的研究合作,我们看到了化学和生物、物理相结合,可能还会有科学与工程、设计的结合。

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。