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剛剛過去的一星期可以稱之為“諾貝爾獎(jiǎng)周”，諾獎(jiǎng)有關(guān)的信息排山倒海而來，占據(jù)了大小屏幕和人們注意力的中心。

小銳特別想和大家聊聊化學(xué)獎(jiǎng)，因?yàn)槿绻麤]有3位獲獎(jiǎng)的老爺爺貢獻(xiàn)的鋰離子電池技術(shù)，我們今天就不可能生活在擁有小巧輕便的手機(jī)、平板電腦以及各種電動(dòng)車、無人機(jī)的世界了。

2019年10月9日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予約翰·B·古迪納夫、M·斯坦利·威廷漢、吉野彰3位科學(xué)家，表彰他們“創(chuàng)造了一個(gè)可充電的世界”。

他們開發(fā)的鋰離子電池究竟對(duì)世界有何貢獻(xiàn)，未來發(fā)展前景又如何呢？

充電技術(shù)塑造現(xiàn)代化生活

上世紀(jì)70年代，石油危機(jī)促使科學(xué)家加緊研究，以擺脫對(duì)化石燃料的依賴，鋰電池應(yīng)運(yùn)而生。

此后，隨著對(duì)移動(dòng)設(shè)備的需求迅速提高，“便攜式”、“無繩”和“無線”等術(shù)語被頻繁使用，迫切需要開發(fā)具有高能量密度和可充電性的二次電池，以減小移動(dòng)設(shè)備的體積和重量。

80年代，首個(gè)鋰離子電池問世，之后不斷進(jìn)化，奠定了當(dāng)今社會(huì)的科技基礎(chǔ)。

依賴化石燃料的火電廠

首先，斯坦利·威廷漢用二硫化鈦?zhàn)鳛檎龢O、金屬鋰作為負(fù)極制成了鋰離子電池，但因金屬鋰活性太強(qiáng)，電池極易爆炸。

隨后，約翰·古迪納夫利用嵌入鋰離子的氧化鈷制成正極，獲得了更大的電流強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

最后，吉野彰在古迪納夫鈷酸鋰正極的基礎(chǔ)上，用石墨作為負(fù)極，于1985年開發(fā)出第一個(gè)商用鋰離子電池。這種電池中，鋰離子可以在正負(fù)極之間來回流動(dòng)，產(chǎn)生電流。

鋰離子電池的實(shí)際應(yīng)用極大促進(jìn)了各種設(shè)備的小型化，混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車取代汽油車，不僅可以有效減少碳排放，控制溫室效應(yīng)，還可以在災(zāi)害導(dǎo)致停電的情況下用作應(yīng)急電源，前景廣闊。

日本三洋鋰電池

鋰離子電池接近理論極限

然而，雖然鋰離子電池的性能已極大改善，但如果要將鋰離子電池用于汽車甚至飛機(jī)，還需要進(jìn)一步降低成本和提升安全性。

目前，電動(dòng)汽車一次充電續(xù)航里程已超過400公里。但在實(shí)際使用環(huán)境下，往往達(dá)不到理論里程，而且隨著使用次數(shù)增加，鋰離子電池還會(huì)出現(xiàn)老化。

如果簡(jiǎn)單增加鋰離子電池的數(shù)量來延長續(xù)航里程，將增加重量、油耗和電池成本。

現(xiàn)有的鋰離子電池開發(fā)已接近理論極限，難以進(jìn)一步提高性能并延長電池壽命，必須著眼未來，開發(fā)能夠取代鋰離子電池的新型蓄電池。

鋰空氣電池呼之欲出

鋰空氣電池是一種利用空氣中氧氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)以產(chǎn)生電能的新型電池。

由于鋰離子電池在化學(xué)反應(yīng)過程中需要消耗電池內(nèi)部物質(zhì)，所以需要較大的電池體積。鋰空氣電池依靠電池外部空氣中的氧氣進(jìn)行正極化學(xué)反應(yīng)，因此可以相應(yīng)地減小體積。

在鋰空氣電池組實(shí)驗(yàn)中，研究者將一組10個(gè)直徑16毫米的圓形鋰空氣電池制成一組，將10組疊起來制成一包，其厚度僅為8毫米。

鋰空氣電池的發(fā)電量是相同重量的鋰離子電池的5至10倍，是目前能量密度的理論值最高的電池。

但是，鋰空氣電池的問題是會(huì)逐漸老化，以及必須使用氧氣，難以應(yīng)用于太空飛行。

全固態(tài)電池顛覆常識(shí)

新型蓄電池的另一位“種子選手”是由固態(tài)部件組成的全固態(tài)電池。

鋰離子電池通過鋰離子在內(nèi)部電解質(zhì)液體中流動(dòng)以產(chǎn)生電流。 但由于電解液是易燃液體，如用于飛機(jī)，可能由于氣壓變化，導(dǎo)致漏液引發(fā)。

全固態(tài)電池采用固體電解質(zhì)，具有更好的耐熱性，與鋰離子電池60度的溫度上限相比，全固態(tài)電池可在接近100度的溫度下運(yùn)行。

因此，盡管全固態(tài)電池的能量密度不如鋰空氣電池高，但通過改進(jìn)正負(fù)極和固態(tài)電解質(zhì)的材料和結(jié)構(gòu)，仍然具有很高的實(shí)用性。

鋰離子或?qū)⑼顺鰵v史舞臺(tái)？

隨著材料學(xué)研究的進(jìn)展，也許鋰離子作為蓄電池“王者”的地位終將動(dòng)搖。

最新研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，有望利用鈉開發(fā)制造“鈉離子電池”，代替資源稀缺的鋰離子。還有可能制造能量密度超過鋰離子電池的“鎂二次電池”。

現(xiàn)代社會(huì)對(duì)于輕便、耐用、廉價(jià)和安全的電池的需求，正在催生新一代蓄電池的出現(xiàn)。鋰離子電池從誕生到全盛，僅用了短短40年。我們正處在第四次工業(yè)革命時(shí)代，新一代電池之王需要多久才會(huì)誕生呢？這一次，又會(huì)是哪些科學(xué)家會(huì)為徹底改變我們的生活做出貢獻(xiàn)呢？讓我們一起拭目以待吧。

文：銳時(shí)空