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未来电池寿命更长、成本更低、更安全

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”。

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”。

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。

锂离子电池主要由阴极、阳极、电解液、隔膜、外电路等部分组成,依靠锂离子在阴阳极之间的移动产生电流。电池阴阳极材料的选择对于能效和安全性至关重要。目前最普遍的可充电锂离子电池,使用钴酸锂材料为阴极,碳材料为阳极,具有能量密度高、循环寿命长、安全可靠等优点。

如今,锂离子电池应用已经遍布普通人身边,但科学探索仍在继续。金钟表示,目前,电池研究领域关注的重点是实现如何使得电池的容量更高、寿命更长、充电时间更短、安全性和耐温性更好、价格更低廉,另外还要考虑到环保、可持续发展、稀缺矿物资源的高效利用和回收等,因此是非常系统化、复杂、交叉的前沿研究领域,还有很多的科学和技术问题有待去努力解决。

锂电池是跨学科研究的重大突破

这时,正如其名的意译“足够好”(Goodenough)一样,古迪纳夫贡献了“足够好”的新灵感。这位创造了诺奖获得者高龄新纪录的老人曾作为航空气象兵参加二战,战后又赴美国芝加哥大学深造获物理学博士学位。他在1980年发现,用钴酸锂作为阴极材料,比之前的二硫化钛更适合存储锂离子。目前,97岁的古迪纳夫仍在致力于电池研发。

“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。

1991年,两人合作发明的锂离子电池正式上市销售,它轻巧耐用、安全可靠,在性能下降前可充放电数百次。

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。”

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。

“现在大部分的便携式电子设备,比如笔记本电脑、手机和iPad等,还有我国正在大力推广的新能源电动汽车,都离不开锂离子电池,应用非常广泛。可以说它的作用就相当于是脱离电网运行的电子、电气设备的动力‘心脏’,其重要性是不言而喻的。”金钟说。

如今,锂离子电池应用已经遍布普通人身边,但科学探索仍在继续。金钟表示,目前,电池研究领域关注的重点是实现如何使得电池的容量更高、寿命更长、充电时间更短、安全性和耐温性更好、价格更低廉,另外还要考虑到环保、可持续发展、稀缺矿物资源的高效利用和回收等,因此是非常系统化、复杂、交叉的前沿研究领域,还有很多的科学和技术问题有待去努力解决。

值得一提的是,本次诺贝尔化学奖颁给锂离子电池研究,再度印证了诺贝尔奖对跨学科研究的日益重视。诺贝尔委员会在颁奖现场接受新华社记者提问时说,未来可能更多的新发现来自于多学科的研究合作,我们看到了化学和生物、物理相结合,可能还会有科学与工程、设计的结合。