2019诺奖 | 锂电池，你可获奖了！

科学世界 · 公众号 · 科学 · 2019-10-10 17:14

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2019年诺贝尔化学奖授予了3位为锂电池发展做出卓越贡献的科学家——John B. Goodenough、M. Stanley Whittingham以及Akira Yoshino。如今，我们的生活已经离不开锂电池。手机、平板电脑以及各式各样的电子产品中都有它的身影。这种轻便、可充电的电池甚至还能储存大量来自太阳能和风能的能源，让无化石燃料社会成为可能。

金属锂很容易失去最外层的电子，变成性质更稳定的的锂离子。

锂，是一种古老的金属，在大爆炸（昨天刚讲过哈~）之初便产生了。但直到1817年，人类才意识到它的存在。是两位瑞典的化学家首次将这种金属从矿物样本中提纯，并为之命名。锂（lithium）的名字源自希腊语中“石头”（lithos）一词，别看词源很有分量，锂却是最轻的固体金属。

当然，如果说的再严谨一些，瑞典的化学家也并没有真正地得到纯的金属锂，只是以盐形式存在的锂原子。纯的金属锂太不稳定了，非常容易引发火灾，只能储存在石油中以保证和空气隔绝。

锂太活泼了，这是它的弱点，也是优点。 20世纪70年代，Stanley Whittingham利用锂动不动就搞丢其最外层电子的特性发明了第一个锂电池。1980年，John Goodenough使锂电池的电势加倍，电力更强。1985年，Akira Yoshino成功用更安全稳定的锂离子代替了纯锂，使锂离子电池正式走向商业化。

现在，让我们一起回到50年前，回到锂电池故事的开篇。

入职石油公司

20世纪中期，城市中满大街跑的都是石油驱动的汽车。这些汽车排放的尾气使空气中充满有害烟雾。与此同时，人们也渐渐意识到石油是一种有限资源，这给汽车制造商和石油公司敲响了警钟：如果想让企业生存下去，就必须投资研发电动汽车和替代能源。

基于这种考虑，石油巨头——埃克森（Exxon）石油公司决定将其业务多元化，重点投资基础研究，招募了一批能源领域的研究人员，寻找除石油之外的能源技术。

Stanley Whittingham就是在这时进入了埃克森公司。在此之前，他一直在美国斯坦福大学研究一种叫“插层”（intercalation）的化学现象，是指当离子在材料内部（层间）被捕获时，材料的性质就会改变。在埃克森， Whittingham和同事开始研究超导材料，包括可以插入离子的二硫化钽。

没想到，这项研究带来了一个意外的发现。插入的钾离子会显著影响二硫化钽的导电性，两者之间的相互作用富含能量，经测量，产生的电压可达几伏。Whittingham马上意识到，这项技术可以用于电动汽车的储能。但是，实验中的钽是比较重的金属，太重的电池肯定不会受市场欢迎。于是，他们选择用重量更轻、但性质相近的钛代替钽。

负极上的锂

故事进行到这里，我们的主角“锂”才要登场。Whittingham选择了容易释放最外层电子的锂作为电池的负极。这样，电池工作（放电）时，电子和锂离子就会从电池的负极分别经由外电路和内部电解质流向正极；而充电时，电子和锂离子又从正极流出，沿来路流回负极。

Whittingham的锂电池模型：

小红球是失去电子的锂离子，小黄球是电子。

负极是金属锂，正极是二硫化钛。

这就是最初的锂电池。埃克森公司决定马上将这个模型开发成商业电池。但很快，大家就发现了这种电池存在一个严重问题。当锂电池反复充电时，负极（锂金属）上会结出枝晶，这些枝晶会刺穿电池两级间的隔膜，接触到正极造成电池短路，引起爆炸。

虽然后来Whittingham改进了电池，向锂金属中加入了铝，并调整了电解质溶液的成分，使锂电池变得稳定了一些。但由于正赶上油价暴跌，石油公司削减开支，锂电池项目被迫中止。

好在这个时候，John Goodenough出现了。

电力翻倍

孩童时代的John Goodenough文科不好，据说是有阅读障碍，所以但凡需要大量阅读的科目都不行。于是Goodenough先是选择了数学专业，后来又转而攻读物理。Goodenough也知道Whittingham研发的锂电池，但所学专业告诉他，如果用金属氧化物代替硫化物制作电池的正极，产生的电势会更大。最终，Goodenough找到了这种物质，就是钴酸锂，一种钴氧化物。用这种物质代替原先的正极材料二硫化钛后，电池产生的电压一下子翻了倍，从2伏升至了4伏。

Goodenough 的锂电池模型：

小红球是失去电子的锂离子，小黄球是电子。

改进了正极材料，由钴酸锂代替二硫化钛，电势翻倍。

更加安全

电池的正极找到了完美的材料，负极的优化任务则由供职于日本旭化成公司的Akira Yoshino（吉野彰）完成。

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