2019玛莎拉蒂莱万特:鋰電池的前世“愛炸”,今生“聽話”,多虧這三位!2019年諾貝爾化學獎揭曉

莱万特对塞维利亚 www.sgzsdn.com.cn 2019年的諾貝爾化學獎花落鋰離子電池領域。三位獲獎人分別是:約翰·古迪納夫( John B. Goodenough )、斯坦利·威廷漢( M. Stantley Whittingham )和吉野彰( Akira Yoshino )。

鋰電池的前世“愛炸”,今生“聽話”,多虧這三位!2019年諾貝爾化學獎揭曉

此次諾貝爾化學獎的歸屬是又一次跨界的勝利,德州實驗室里永不退休的固體物理學家,來自英國又落戶紐約賓漢姆頓大學材料系的化學家,兼任大學教授和企業研究員的日本技術大牛,共同分享了這一大獎以及900萬瑞典克朗(約合650萬元人民幣)的獎金。

鋰電池的前世“愛炸”,今生“聽話”,多虧這三位!2019年諾貝爾化學獎揭曉

約翰·古迪納夫

“他從不退休,每天都去實驗室,永遠在為科學發光發熱?!?/p>

美國德克薩斯大學奧斯汀分?;倒こ毯突綣こ探淌?,美國國家科學院、工程院、法國科學院以及西班牙皇家學會四院院士,固體物理學家,鋰離子電池的奠基人之一

頒獎詞:他將鋰電池的潛力翻了一番,為更強大、更有用的電池創造了合適的條件。

值得一提的是,現已97歲高齡的古迪納夫成為了年紀最大的諾獎獲得者。

他在今年六月份接受采訪時曾表示:“我仍在從事電池工作,我也希望看到自己的最后一位博士順利畢業,他是一個很棒的男孩。但我不知道自己什么時候一不留神就去見上帝了,可能就是這兩天的工夫吧。我這個歲數,也不會再收學生了。我希望看到我的最后一個學生畢業,那是我的計劃,但我確實無法控制。我每天都努力生活,這就是我所能做的?!?/p>鋰電池的前世“愛炸”,今生“聽話”,多虧這三位!2019年諾貝爾化學獎揭曉

斯坦利·威廷漢

賓漢姆頓大學化學與材料科學與工程專業教授,美國國家工程院院士,可充電鋰離子電池創始之父

頒獎詞:20世紀70年代初,他在開發第一塊功能性鋰電池時,利用了鋰的巨大動力來釋放其外層電子。

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吉野彰

“好奇心驅動了我的研究,讓我們作出有利人類發展的貢獻?!?/p>

旭化成集團研究員、名城大學教授,現代鋰離子電池的首創者

頒獎詞:吉野彰成功地從電池中去除純鋰,而完全以鋰離子代替,而后者的安全性遠遠優于鋰金屬,這使得鋰電池得以走向實際應用。

效力于企業的吉野彰可以說一直致力于提高鋰電池安全性的技術攻關,這是一個面向工程面向應用的關鍵課題,他的貢獻為人類的便捷帶來了綠色的馬力,也給企業帶去了巨量的利益。

而當記者問到他所做的研究是否為了錢,吉野彰給出了一個極簡的回答——好奇心!

作為一名化學家,華東師范大學姜雪峰教授為鋰電池獲獎點贊:

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對電尤其對電池,人類從未像現在這樣需要和依賴,以手機和電腦為代表的各類電子產品、電動汽車、各類能量的儲備均需電池!我們希望電池能量儲量大,充放次數多,安全系數高,工作溫度兼容寬等,所以鋰電池是電池界科學家們很看好的方向。

電池的研發從原來的鉛酸電池到鎳鎘電池、鎳電池,以及到現在的鋰離子電池,電池的重量和體積在不斷減少,更重要的是它的安全性在不斷提高,穩定性也不斷提高,正是化學性質的提高讓鋰電池具有這種獨特的性質,這也是為什么科學家不斷探索這種電池的原因。

未來這可能也是電池行業和人類能量儲備領域上出現重大突破的一個方向,所以今年的諾獎頒給了這三個人,他們不但有科學上的重大貢獻,建立起了鋰離子電池的模型,他們還推動了產業的應用。1991年索尼的電池就是古迪納夫和吉野彰所建的模型,他們合作研發的鋰電池投放市場后影響了今天的電子設備產品。

鋰電池獲獎是對科學貢獻與產業貢獻共同的認可。

在為鋰電池研究者獲獎賀喜之際,我們了解下鋰電池開發歷程,了解獲獎人——約翰·古迪納夫在鋰電池方面的貢獻及其對鋰電池研發的個人看法。

(以下2015年發表于《世界科學》雜志第12期上。)

鋰電池:讓鋰的能力達到極致

鋰電池的前世“愛炸”,今生“聽話”,多虧這三位!2019年諾貝爾化學獎揭曉

智能手機如今無處不在,而它們的成功應歸功于為它們供電的鋰離子電池

之所以我們能將功能強大的“微型電腦”放在兜里隨身攜帶,鋰離子電池功不可沒。它為通信和交通帶來革命性的變革,并使超薄的智能手機和行駛距離符合實際需求的電動車開始崛起。

正因為鋰離子電池比前一代的鎳鎘電池體積和重量都小了很多,而供電能力并不遜色,這些發明才成為了可能。鋰離子電池更出色的一點是,它的充電壽命更長,而且包含的有害物質要少很多。

作為元素周期表中最輕的金屬元素,也是最傾向于失去電子的金屬元素,鋰是制造電能強大的可攜帶電池的理想材料。它能勝任大部分的工作,同時具有最小的重量和最少的化學并發反應。

最初的鋰電池由德克薩斯州的艾克森石油公司在20世紀70年代的石油?;逼誑?,是為了應對當時的能源短缺,和之后的鋰離子電池不同,當時的鋰電池無法充電,使用的含鋰化合物在電解質中還會產生有害物質。

它們為第一代數字手表供電,但是早期的原型簡直就是滴答作響的定時炸彈:電解質產生的氣體會在電池內部聚集,而且只要碰到空氣,就立刻會劇烈燃燒。

在之后的3年中,由于電池引發的燃燒事故和顧客的不滿,鋰電池技術的發展會定期地遇到挫折。

頻繁的召回讓鋰電池聲名狼藉,對鋰電池持懷疑態度的人認為它的安全性永遠都無法滿足市場的要求。

鋰電池改變整個社會能源利用方式的愿景影響深遠,在科學家、工程師、風險投資商和企業家之間引發了一股“淘金熱”,他們不斷努力,試圖讓鋰電池變得更加聽話。

約翰·古迪納夫是來自德克薩斯奧斯汀分校的一名固態物理專家,他被廣泛認為是當代鋰離子電池之父,他說:

現代社會完全依賴化石燃料,因此取代內燃機的動機非常強烈,我們必須找到將社會從對化石能源的依賴中解放出來的辦法,我們關注如何從太陽和風力中獲得能量代替化石燃料,但是在獲得存儲技術前,這并不可行。

實現鋰離子電池廣泛應用的四項主要技術突破中,三項都來自古迪納夫的研究。

在20世紀70年代末,他制備了帶有鋰鈷氧化物的陰極,這種電池至今仍在給大多數個人電子設備供電。

之后,他和另外一名研究電池材料的科學家邁克爾·薩克雷(Michael Thackeray),繼續制備出鋰錳氧化物,現在絕大多數電動汽車和很多醫療設備都用它供電。

在90年代,盡管已經退休,古迪納夫繼續研究,開發出用磷酸鐵鋰制備的更加廉價穩定的正電極,它廣泛用于電動工具。

這些化學成分比最早的鋰電池更加安全,因為它的電極中沒有鋰原子。在電池陰極(電池給設備供電時,陰極發生電子和鋰離子的移動),晶格將鋰離子緊密地束縛在陰極復雜的金屬氧化物晶體結構中。鋰離子直接穿過電解質,并且不會和其他物質發生反應。

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阿貢國家實驗室,一名研究員正在測試原型電極,

試圖發現讓電池續航能力更強,充電更快的方法

盡管鋰電池技術取得了很多進展,如今的技術依然不夠先進。

很多手機天天都需要充電,大多數電動車行駛不到160公里就需要充電數小時。特斯拉S系列的行駛里程領先市場上其他電動車,超過了300公里,但它的售價昂貴,至少需要71 000美元。

“在過去25年間,電池科學家和工程師們每年都在讓電池的性能提升5%至10%,”來自位于伊利諾伊斯州阿貢國家實驗室的材料科學家喬治·克拉布特里(George Crabtree)說?!俺欠⑾秩碌難躉?,否則就是停滯不前,”他說,“我們無法知曉何時能取得重大突破?!?/p>

即便是古迪納夫,也對該技術的成效感到不滿:

“事實上,我們仍未制造出真正的電動車,車的成本必須降低,需要更安全,行駛距離需要更長以使人們不會感到焦慮?!?/p>

開發更加持久,充電更快,價格更低的電池的關鍵是往每個電極中裝入盡可能多的鋰離子,并使它們在陰陽極之間的流動盡可能快,同時讓它的流動不失去控制。

舉例來說,古迪納夫之前的實驗合作伙伴薩克雷現在在阿貢國家實驗室進行電化學存儲技術的研究,當時他設計出晶體狀的尖晶石分子結構,用于在電池放電時將鋰離子安全地送入陰極。由于鋰離子在通過移動路徑的過程中一直在尖晶石分子結構中,因此電池非常穩定??蒲Ъ矣美嗨頻慕峁菇胱涌刂頻迷澆?,電池就會越穩定。

但是這種技術也有明顯的缺陷:鋰離子的移動越不自由,電池的電量就越小。正如從鎳鎘電池到鋰離子電池的轉變所證明的那樣,提升電能是減輕體積、重量和費用最好的方法。

但是提升電能也不是唯一的辦法。

劉平(Ping Liu)來自能源高級研究計劃署(ARPA-E),負責具有高能效和能量存儲功能的先進材料的研發,他表示:

提高電池的安全性和穩定性能讓電池更小價格更低,原因是這類技術進步可以讓工程師不用安裝電子控制裝置、裝甲板、電池絕緣器和冷卻系統,而現今的電動汽車上都需要安裝這些以?;さ緋?。

時至今日,大多數實質性的技術進步來自于陰極,陰極是鋰離子電池放電時吸收鋰離子的正極。

科學家一直致力于使用碳之類的納米材料來制備更薄的陽極材料,目的是通過減少離子需要移動的距離加速鋰在電池中的化學反應流動。

一些科學家在開發只有一個原子那么厚的材料,但是這類前沿研究還未產生滿意的結果?!爸兩衩揮腥四蘢齙煤芎?,”克拉布特里說道?!罷餉幢〉牟愫苣閻圃斕悶秸??!?/p>

“今后的突破來自于電池的另一端,也就是更好的陽極?!笨死繼乩鎪?。

陽極在電池充電時積蓄鋰離子,并在電池放電時將它們送至陰極。

在20世紀90年代初,日本電子業巨頭索尼公司引入碳制作的陽極替代問題不斷的金屬鋰陽極時曾以失去一些電量作為代價,現在工程師們試圖將這部分能量找回。

如今的石墨陽極以及在它之前的金屬鋰陽極均存在一個嚴重的問題:

在電池充電時回到陽極的鋰離子不會均勻地覆蓋在電極表面,它們以很小的叫做樹枝晶的結構像樹枝一樣生長。

“電池的體積越小,樹枝晶在生長時越容易通過電解質接觸到另一極并導致電池短路?!憊諾亂練蛉縭撬?。

人們使用被稱為隔離器的可滲透膜防止電極間的接觸,以此防止短路,與此同時電解質仍然可以通過。但是樹枝晶會斷裂并堵住隔離器的小孔,導致電池的壽命降低。

鋰電池相關技術探索:更合適的陽極材料

陽極可以用硅制造,每克硅可以容納的鋰十倍于每克碳的鋰,產生更大的電量。但是硅也有問題:當電池充電,陽極充滿鋰離子時,它的體積至少是正常體積的3倍。

這種膨脹現象會使陽極物質的電子鍵斷裂,導致電池停止工作。這也會讓電池附近的部分比如隔離器,甚至電池殼體等受損,并導致火災。

崔屹是斯坦福大學的一名材料科學家,他研究鋰離子電池的制備已經超過15年,致力于研發更薄的電極材料。

他正在研發硅納米線,硅納米線立在陽極上,就像地毯上的纖維一樣,當它們膨脹時電子鍵不會發生斷裂。但是他表示這項技術至少還需要五年才能商業化。

同時,他也在嘗試尋找石墨陽極性能的方法,他使用二維的石墨,充電時對鋰的吸收會更快,但他說這項工作還遠遠沒有完成。

但回到鋰-金屬陽極是科學家們夢寐以求的。

劉平說到:“如果能直接制造出鋰-金屬電池,就不用考慮用硅了,鋰金屬電池是終極目標?!?/p>

和石墨陽極相比,鋰-金屬陽極可以在充電時吸收十倍于前者的鋰離子,同時不受硅膨脹的影響。這樣的電池能滿足電動汽車的一項關鍵性能指標:

每次充電后每千克電池能提供0.3千瓦時的能量,如此一來電動汽車每次充電后會具有和充滿油箱的燃油汽車相同的行駛距離。但是達到這個里程碑需要其他安全技術作為支持,比如固體電解質和更好的隔離器,使得在充電時樹枝晶不會生長。

“我不認為使用液態電解質的鋰-金屬電池能商業化,” 來自加州大學伯克利分校的材料科學家尼塔濕·巴爾薩拉(Nitash Balsara)說到,“我認為它就和炸藥一樣?!?/p>鋰電池的前世“愛炸”,今生“聽話”,多虧這三位!2019年諾貝爾化學獎揭曉

鋰離子只應用在可充電電池中

固體電解質會帶來前所未有的重大突破。

“如果能夠不再使用液態電解質,那么就可以消除所有的易燃因素,”劉平說道?!澳茄梢越餼鯤緋刂饕陌踩寺??!?/p>

“但它的導電性不如液態電解質,因此充電時間會變長,電量會降低?!卑投檔?。

古迪納夫補充道:“我不認為可以開發出壽命很長的固態電池?!憊諾夏煞螄Mü蟹⒁恢忠徊糠治燙牡緗庖豪聰燙鴕禾緋丶淶男閱懿鉅?,靠近陽極處使用固體電解質,靠近陰極處使用液體電解質。

“這樣可以具有固體電解質同樣的效果,并具有更長的壽命,”他說到,“因為陽極材料不會分解?!?/p>

他在實驗室建造了一個用于測試的電池,但他表示樹枝晶生長仍然是一個很大的問題。

劉平認為最具有前景的研究來自研究陶瓷電解質的科學家。

“固態的玻璃和陶瓷電解質比塑料高分子的導電性明顯要強很多,”巴爾薩拉說到,“這樣強的導電性可能會讓使用固態電解質損失的電量不會太多?!?/p>

其他研究鋰離子電池新型電解質的科學家如蔣業明,蔣業明是麻省理工學院的一名材料科學家,他協助研發了磷酸鋰鐵電池。

蔣業明創辦了一家叫做24M的公司,公司位于馬薩諸塞州劍橋,目標是將這一發明商業化。

隨著納米科技讓電極和電解質技術越來越先進,科學家們在尋找電量更大的電池的路上不覺繞了整整一圈,又回到了使用純鋰而不是鋰離子制作電池。

鋰硫電池、鋰-空氣電池并不屬于鋰離子電池,因為鋰在電解質中發生化學反應并生成其他物質,而不僅僅是流經電解質。

鋰硫電池同20世紀70年代艾克森公司實驗的電池相似,但能儲存十倍于相同重量的鋰離子電池的電量。問題在于電化學反應會消耗硫并產生其他成分,電解質會被稀釋。這兩個過程都導致這種電池的早夭。

“理想情況下,你希望電解質只要傳輸鋰就可以了,”巴爾薩拉說道,“其他過程都會產生問題?!?/p>

為了解決這一并發癥,崔屹、克拉布特里和其他科學家正在開發能封裝硫的納米材料。崔屹表示他的實驗室已經研發了一種可以經受500~1000次充放電循環的鋰硫電池,這對手機和筆記本電腦來說足夠了。但是他又提到,這種電池的電量仍然太低,商業化的原型電池可能還需要五年才會問世。

從電量、重量和成本的角度來看,鋰-空氣電池可能是鋰電池的終極版。

用金屬鋰作為陽極,氣態的氧氣作為陰極,鋰-空氣電池可以用更低的成本以及或許更輕的重量存儲和鋰硫電池相同的電量。

鋰電池的研發看上去異常困難,但更好的鋰電池帶來的回報也是巨大的。除了帶來可以行駛300千米的電動汽車,它們會讓太陽能和風能這樣的可再生能源廣泛應用,最終讓世界脫離對化石能源的依賴。

鋰電池的前世“愛炸”,今生“聽話”,多虧這三位!2019年諾貝爾化學獎揭曉

2013年古迪納夫教授接受美國總統奧巴馬頒發美國國家科學獎章(又稱總統科學獎章)時的合影。1922年出生的他,目前仍然堅持工作,繼續電池材料的研究

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