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創造一個“超長待機”的世界,我們離不開“鋰”-鄭州網站建設

夢之網科技?2019-10-10?文章動態?

科技日報記者 張夢然

2019年,諾貝爾化學獎頒發給了研發鋰離子電池的科學家。

好事多磨,眾望所歸。

三位科學家,他們“馴服”了鋰離子,為所有人創造了一個可重復充電“超長待機”的世界。時至今日,鋰離子電池這種輕巧、可充電且功能強大的發明,出現在每個人都熟悉不已的手機、筆記本電腦、電動汽車等幾乎所有電子類產品中。它還可以存儲來自太陽能和風能的巨大能量,從而使無化石燃料社會成為可能。

人人都愛鋰離子電池

現在,于全球范圍內,你都能看到鋰離子電池正在為人類的日常活動提供動力。其中最常見的方式就是為便攜式電子設備供電。

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圖片來自網絡

我們離不開它。因為每天你都要使用這些便攜式電子設備進行通訊、工作、學習、聽音樂以及搜索知識。同時,鋰電池還促進了遠程電動汽車的開發,以及對可再生能源(例如太陽能和風能)的能量存儲。

追溯起來,鋰離子電池的基礎,其實是在1970年代的石油危機期間奠定的。今年的獲獎者之一斯坦利·惠廷厄姆,致力于開發可能帶來無化石燃料能源技術的方法。他通過研究超導體發現了一種能量非常豐富的材料,將其用于在鋰電池中創建新的陰極——它由二硫化鈦制成的,該二硫化鈦在分子水平上具有可以容納(嵌入)鋰離子的空間。

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惠廷厄姆的鋰電池的優點是鋰離子儲存在陰極中的二硫化鈦中。使用時,鋰離子從陽極中的鋰流向陰極中的二硫化鈦,給電池充電時,則鋰離子反向回流。

電池的陽極部分,則由金屬鋰制成,這種金屬具有強烈的釋放電子的動力。

雖然一個電池就此產生了。但是金屬鋰相當活潑,容易發生化學反應,導致電池具有爆炸性,還無法使用。

正負極材料的艱難選擇

被譽為“鋰電池之父”的約翰·古迪納夫曾作出了一項預測,他認為如果使用金屬氧化物而不是金屬硫化物制成陰極,則陰極將具有更大的潛力。經過仔細地搜索與研究,他在1980年證明了嵌入了鋰離子的氧化鈷,可以產生高達4伏的電壓。這是一項重要的成果。

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被譽為“鋰電池之父”的古迪納夫,今年已經97歲。圖片來自網絡

突破出現在1985年,在古迪納夫對電池陰極研究的基礎上,今年獲獎者之一吉野彰終于成功創建了首個商業上可行的鋰離子電池。他沒有在陽極中使用反應性鋰,而是使用了石油焦炭,這種碳材料,可以像陰極的氧化鈷一樣,讓鋰離子嵌入。

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古迪納夫開始在鋰電池陰極中使用氧化鈷,使電池潛力增加了一倍,并且使其功率大為提高。

于是,人們看到了一種重量輕且堅固耐用的電池,在其性能下降之前甚至可以充電數百次。而這種鋰離子電池最大優點在于,它們不再是基于分解電極的化學反應,而是基于鋰離子在陽極和陰極之間來回流動。

徹底改變了你我的生活

自從1991年,日本索尼公司將鋰離子電池首次投入市場,這種電池就徹底改變了我們的生活。一方面原因,它是當今社會最主要的便攜式能量源;另一方面,它們奠定了無化石燃料社會的基礎——而這一點,對人類的現在和將來意義巨大。

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吉野彰開發了第一個商業上可行的鋰離子電池。他在陰極中用了古迪納夫的鋰—鈷氧化物,但在陽極用了一種碳材料——石油焦炭,它也可以嵌入鋰離子。電池不再是基于分解電極的化學反應,而是基于鋰離子在陽極和陰極之間來回流動,這使電池的壽命大大延長。

鋰電池曾和晶體管一起被視作“電子工業中最偉大的發明”,而晶體管的發明人巴丁,早已在1956年獲得諾貝爾物理學獎。所以很多年來,每年的預測熱門領域,都有鋰離子電池的身影。

其實,正是鋰電池的出現拓寬了晶體管的應用范圍。可商業化生產的鋰電池走到人們身邊,告訴人們無需再依賴需要晶體管的笨重電子設備。于是,智能手機、筆記本電腦、平板電腦迅速擠占了市場。是電池技術的突破,為便攜電子設備行業帶來了極大的變革。

現在的鋰電池產業,年產已經接近幾十億美元。這個世界仍在需要鋰離子電池,這個世界更需要一個綠色的未來。

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約翰·古迪納夫
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