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这个时候,约翰·古迪纳夫预测,如果使用金属氧化物制成电池的阴极,而不是金属硫化物,将具有更大的潜力。经过系统的搜索,他在1980年证明了嵌入锂离子的氧化钴可以产生多达4伏的电压。他使锂离子电池体积更小、容积更大、使用方式更稳定,从而实现商业化,同时也开启了电子设备便携化进程。

“可以说这三位科学家是锂离子电池领域的开拓者、先驱者,我看过他们的很多研究论文,尤其是古迪纳夫先生,他以97岁高龄获奖,却仍然是一位走在学术前沿的高产学者。我在一些国际储能学术会议上也听过他们的学术报告。”南京大学化学化工学院教授、博士生导师金钟,主要研究方向是能源转换与存储材料的结构设计、物理化学机制研究和器件应用。2008-2014年曾先后在美国莱斯大学和麻省理工学院进行博士后研究。

锂电池是跨学科研究的重大突破

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”。

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。

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”。

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。

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。

“电池的研究是一个非常有活力、引人入胜的研究领域。”金钟透露,科学家们正在开发下一代更高性能的锂离子电池,比如全固态、柔性锂离子电池等,也在研究其他的新型电池,包括锂硫电池、多价离子电池、金属空气电池和液流电池等,大家认为这些新型电池有希望在很多不同的应用场景发挥非常重要的作用。

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。

在20世纪70年代,世界范围内爆发了石油危机,能源研究开始兴起。此时斯坦利·惠廷厄姆正在研究无化石燃料的能源技术。他和同事发现了锂离子可以在电极间来回穿梭,具备了充电能力,并能在室温下工作。在研究超导体时,他发现了一种能量极其丰富的材料,由二硫化钛制成,在分子水平上具有可以容纳(嵌入)锂离子的空间。他将这种材料放在锂离子电池的阴极,阳极部分则由金属锂制成,成功研制出了锂离子电池。可是,金属锂具有强烈的反应性,电池很容易爆炸,无法使用。

另外,这项研究是物理、化学、能源和材料等领域跨学科的重大突破,最难攻克的要点在于,既要使电池能够长久稳定地可逆充放电,提供较大的容量,又要保障较好的安全性,是非常难的课题。“实现这个目标,不但需要研究锂离子迁移和嵌入脱出的原理和局限,还要对正极、负极、电解质、隔膜、集流体、外壳等关键部件材料实现全面的优化匹配,因此是非常复杂、精妙的系统工程。”

这个时候,约翰·古迪纳夫预测,如果使用金属氧化物制成电池的阴极,而不是金属硫化物,将具有更大的潜力。经过系统的搜索,他在1980年证明了嵌入锂离子的氧化钴可以产生多达4伏的电压。他使锂离子电池体积更小、容积更大、使用方式更稳定,从而实现商业化,同时也开启了电子设备便携化进程。

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”。