詳解2019諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)：他們發(fā)明了世界最強(qiáng)大的電池

作為負(fù)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(qiáng)大。

   于是，在鋰離子電池的故事中，鋰開始占據(jù)最重要的位置。作為斯坦利·威廷漢的新電池的負(fù)極，鋰并不是一個(gè)隨機(jī)的選擇。在電池中，電子應(yīng)該從負(fù)極（陽極）流向正極（陰極）。因此，負(fù)極應(yīng)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(jié)果就是，斯坦利·威廷漢開發(fā)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(xiàng)目進(jìn)行了討論。會(huì)議持續(xù)了大約15分鐘，管理團(tuán)隊(duì)隨后迅速做出決定：他們將利用斯坦利·威廷漢的發(fā)現(xiàn)開發(fā)一種具有商業(yè)可行性的電池。

   電池爆炸和油價(jià)下跌

   不幸的是，準(zhǔn)備開始生產(chǎn)電池的小組遇到了一些困難。隨著新的鋰電池被反復(fù)充電，在鋰電極上開始出現(xiàn)薄層的鋰物質(zhì)。當(dāng)它們抵達(dá)另一個(gè)電極時(shí)，電池就會(huì)出現(xiàn)短路并引發(fā)爆炸。消防隊(duì)不得不多次出動(dòng)撲滅火災(zāi)，他們威脅要實(shí)驗(yàn)室支付用于撲滅這些鋰電池大火所消耗的特殊化學(xué)物質(zhì)的費(fèi)用。為了讓電池更加安全，在金屬鋰電極中加入了鋁，兩個(gè)電極之間的電解液也進(jìn)行了更換。

   斯坦利·威廷漢在1976年宣布了自己的發(fā)現(xiàn)，隨后電池開始為一家瑞士鐘表商進(jìn)行小規(guī)模生產(chǎn)，并計(jì)劃將其用于太陽能驅(qū)動(dòng)的鐘表當(dāng)中。下一步的目標(biāo)是擴(kuò)充電池的容量，以便使其能夠?yàn)槠嚦潆?。但是?980年代初，石油價(jià)格突然出現(xiàn)顯著下降，?？松拘枰鳒p成本。于是相關(guān)研究工作被停了下來，威廷漢所發(fā)明的技術(shù)被授權(quán)給了世界三個(gè)不同地區(qū)的三家不同的公司。但這并非意味著研究工作的終結(jié)。當(dāng)?？松痉艞壪嚓P(guān)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(fā)揮功能時(shí)，并不會(huì)發(fā)生破壞自身的化學(xué)反應(yīng)。相反，鋰離子可以在電極之間來回流動(dòng)，使電池壽命大大延長

   石油危機(jī)讓古迪納夫開始對電池技術(shù)感興趣

   還是一個(gè)孩子時(shí)，古迪納夫在閱讀方面存在明顯障礙，這也是為何他會(huì)被數(shù)學(xué)吸引，并最終，在二戰(zhàn)結(jié)束之后，開始研究物理學(xué)的原因之一。他在美國麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室工作多年。在此期間，他對隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）的研究做出了貢獻(xiàn)，時(shí)至今日RAM依舊是我們計(jì)算機(jī)中不可或缺的部件。

   古迪納夫和上世紀(jì)1970年代的許多人一樣，都深深受到了石油危機(jī)的影響，于是他希望能夠?yàn)槟茉吹奶娲x擇做出貢獻(xiàn)。然而，林肯實(shí)驗(yàn)室是由美國空軍資助的，并不允許從事這類研究。因此，當(dāng)他被提供一個(gè)在英國牛津大學(xué)擔(dān)任無機(jī)化學(xué)教授的機(jī)會(huì)時(shí)，他抓住了機(jī)會(huì)并最終一頭扎進(jìn)了重要的能源研究領(lǐng)域之中。

   當(dāng)鋰離子與氧化鈷結(jié)合時(shí)所產(chǎn)生的高電壓

   古迪納夫知道威廷漢發(fā)明的革命性的新電池技術(shù)，但他對于物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的專業(yè)知識(shí)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(xiàng)任務(wù)，尋找合適的金屬氧化物，其應(yīng)當(dāng)可以在鋰離子作用下可以產(chǎn)生比較高的電壓，并且當(dāng)這些離子被去除時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)問題。

   這一系統(tǒng)性搜尋的結(jié)果要比古迪納夫原先設(shè)想的高得多。威廷漢的電池可以產(chǎn)生略多于2伏特的電壓，但古迪納夫發(fā)現(xiàn)，在陰極中使用鈷酸鋰材料的電池產(chǎn)生的電壓將可以提升兩倍，達(dá)到4伏特。在這其中的一項(xiàng)關(guān)鍵性發(fā)現(xiàn)是，古迪納夫意識(shí)到，電池并不需要保持在充電狀態(tài)下才能生產(chǎn)，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(xiàng)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(qiáng)勁的電池。這是人類進(jìn)入移動(dòng)時(shí)代的關(guān)鍵一步。

   日本公司迫切渴望輕質(zhì)電池用于新型電子產(chǎn)品供電

   然而，在西方，隨著石油價(jià)格下探，對于尋找替代能源，以及開發(fā)不使用石油的電動(dòng)車的投資熱情開始出現(xiàn)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(zhì)，且可反復(fù)充電的電池，用于為他們的便攜式攝像機(jī)，無線電話機(jī)和計(jì)算機(jī)供電。其中一個(gè)看到了這種巨大需求的人，便是日本旭化成株式會(huì)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(fā)了第一個(gè)可商用鋰離子電池

   當(dāng)吉野彰決定開發(fā)一種功能性可充電電池時(shí)，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(jīng)證明，鋰離子可以插入到石墨的分子層中，但是石墨會(huì)被電池的電解液分解。當(dāng)吉野彰嘗試使用石油焦（石油工業(yè)的副產(chǎn)品）時(shí)，他終于找到了靈感。他用電子給石油焦充電，發(fā)現(xiàn)鋰離子被吸進(jìn)了材料中。然后，當(dāng)他打開電池時(shí)，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(fā)的電池具有工作穩(wěn)定、重量輕、容量大的優(yōu)點(diǎn)，能產(chǎn)生4伏的電壓。鋰離子電池最大的優(yōu)點(diǎn)是離子能嵌入到電極上。其他大多數(shù)電池都是基于化學(xué)反應(yīng)，而在化學(xué)反應(yīng)中，電極會(huì)緩慢而穩(wěn)定地改變。當(dāng)鋰離子電池充電或放電時(shí)，離子在電極之間流動(dòng)，不與周圍環(huán)境發(fā)生反應(yīng)。這意味著電池的壽命更長，在充電數(shù)百次后性能才會(huì)下降。

    另外一個(gè)巨大的優(yōu)勢在于，電池中不含有純的鋰。在1986年，當(dāng)吉野彰在對電池的安全性進(jìn)行測試時(shí)，他非常小心謹(jǐn)慎，甚至將檢測工作放在一間專門用于爆炸物檢驗(yàn)的房間內(nèi)進(jìn)行。他向電池投擲一大塊鐵，但是什么也沒有發(fā)生。然而，當(dāng)使用含有純鋰的電池進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)時(shí)，電池發(fā)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(guān)鍵。正如吉野彰所言的那樣：這一刻，標(biāo)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(huì)中不可或缺

   1991年，一家大型日本企業(yè)率先開始銷售鋰離子電池，在電子業(yè)引發(fā)了一場革命。手機(jī)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(yōu)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(jìn)。例如，古迪納夫?qū)⑵渲械难趸挀Q成了磷酸鐵，使電池變得更加環(huán)保。

   就像幾乎所有人類生產(chǎn)活動(dòng)一樣，鋰離子電池的生產(chǎn)也對環(huán)境造成了一定影響，但也為環(huán)境帶來了巨大的益處。有了鋰離子電池，研究人員得以發(fā)明更清潔的能源技術(shù)和電動(dòng)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(gè)無線、無需化石燃料的新型社會(huì)創(chuàng)造了適當(dāng)條件，極大地造福了全人類。