鋰電池，人人不離手的諾獎(jiǎng)發(fā)明

葉臾

一年一度的諾貝爾獎(jiǎng)在萬(wàn)眾期待中依次揭曉，拿下諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的古德伊納夫、惠廷厄姆和吉野彰成了今年最受追捧的對(duì)象。究其原因，除了這三位得獎(jiǎng)?wù)叩娜松适戮室酝猓€因?yàn)樗麄冄芯康匿囯姵嘏c生活息息相關(guān)。我們每個(gè)人的手機(jī)里都有一塊鋰電池，離開(kāi)了它，現(xiàn)代人簡(jiǎn)直沒(méi)法活。

鋰是密度最小的金屬，具有最高的能量重量比，這意味著它可以用最輕的體積產(chǎn)生最高的電壓。因?yàn)檫@種特性，20世紀(jì)初化學(xué)家們就開(kāi)始研究制造鋰電池的可能性。不過(guò)，鋰元素非常活躍，無(wú)論是加工還是保存都對(duì)環(huán)境要求比較高，尤其是在有水或有氧氣的條件下，很容易燃燒或爆炸。這在一定程度上限制了鋰電池的應(yīng)用，因此在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，鋰電池研究并未得到足夠重視。

1973年，西方世界出現(xiàn)了石油危機(jī)，很多國(guó)家迫切地尋找化石替代能源和更好的儲(chǔ)能方式，鋰電池重新進(jìn)入了科學(xué)研究視野。當(dāng)時(shí)在美國(guó)埃克森石油工作的惠廷厄姆知道鋰很容易釋放電子，非常適合做電池陽(yáng)極，而他需要找到能夠在陰極捕獲鋰離子的高密度材料。后來(lái)他發(fā)現(xiàn)二硫化鈦非常適合，于是有了最早的鋰電池，其電量存儲(chǔ)是鉛酸電池的10倍、鎳鉻電池的5倍。

不過(guò)，惠廷厄姆的成果存在一個(gè)致命缺陷，就是如果給他的鋰電池反復(fù)充電，金屬鋰就會(huì)從陰極跑出來(lái)，可能導(dǎo)致短路，引發(fā)爆炸等事故。所以，這種鋰電池?zé)o法得到廣泛應(yīng)用。

接下來(lái)，古德伊納夫登場(chǎng)了。當(dāng)時(shí)在牛津大學(xué)任教的他認(rèn)為只有把陰極換成其他材料，鋰電池的潛力才能真正發(fā)揮。1980年，他用鈷酸鋰替代結(jié)構(gòu)相似的二硫化鈦，不僅解決了短路問(wèn)題，還實(shí)現(xiàn)了重復(fù)充電，電池功率達(dá)到了初期的兩倍。

幾乎同時(shí)，日本企業(yè)也加強(qiáng)了鋰電池研發(fā)。旭化成株式會(huì)社的吉野彰繼承了古德伊納夫的研究成果，在陰極繼續(xù)使用鈷酸鋰，但在陽(yáng)極改用可以儲(chǔ)存鋰離子的碳基材料。通過(guò)這一改進(jìn)，整個(gè)電池徹底消除了純鋰，只剩下鋰離子。從鋰電池到鋰離子電池的這一步跨越，不僅讓鋰電池變得更加安全，也為其大規(guī)模商用創(chuàng)造了條件。

新技術(shù)從發(fā)明到落地都需時(shí)日。直到1991年，索尼公司才在世界上首次將鋰電池運(yùn)用到實(shí)際電子產(chǎn)品中，而鋰電池產(chǎn)業(yè)迎來(lái)真正的大爆發(fā)則是4年之后。1995年，微軟推出了新的操作系統(tǒng)，大大推動(dòng)了筆記本電腦市場(chǎng)的規(guī)模，手機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代也拉開(kāi)序幕，鋰電池銷量呈幾何級(jí)增長(zhǎng)。進(jìn)入21世紀(jì)后，電動(dòng)汽車成了鋰電池的另一重要應(yīng)用領(lǐng)域。特斯拉等公司以鋰電池為動(dòng)力，開(kāi)啟了新能源汽車的新時(shí)代。

盡管鋰電池有很多優(yōu)勢(shì)，但隨著社會(huì)發(fā)展，其瓶頸也越來(lái)越明顯。例如，安裝鋰電池的新能源汽車在續(xù)航方面不能滿足消費(fèi)者需求;有瑕疵的鋰電池仍會(huì)發(fā)生爆炸事故;被廢棄的鋰電池也是一個(gè)潛在污染源。

現(xiàn)在，科學(xué)家正在尋找更清潔的能源和更好的能源儲(chǔ)存方式，這將是一場(chǎng)持久戰(zhàn)。從目前看，未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間，鋰電池仍將在生活中扮演重要角色，直到更先進(jìn)的科學(xué)產(chǎn)品將其替代。