詳解2019諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)：他們發(fā)明了世界最強(qiáng)大的電池

引言

    電能為我們的生活提供了能量，無論何時(shí)何地，我們都需要電能。如今，即使附近沒有電源插座，我們也可以十分方便、高效地獲取電能。我們的移動(dòng)方式越來越無拘無束，對(duì)電線的依賴也越來越少，可以在一個(gè)可能更健康的環(huán)境中享受高機(jī)動(dòng)性。這一令人矚目的發(fā)展是由高效的儲(chǔ)能設(shè)備實(shí)現(xiàn)的。高容量電池使各種電動(dòng)工具和車輛成為可能。原則上，我們都可以便捷地使用手機(jī)、相機(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)工具等，依靠高效的電池為它們提供動(dòng)力。隨著現(xiàn)代電池技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)汽車也越來越受歡迎。我們正處在擺脫化石燃料汽車的時(shí)代。此外，有效的能源儲(chǔ)存是對(duì)不穩(wěn)定的能源（如風(fēng)能和太陽能）的重要補(bǔ)充。有了電池，供需鏈可以隨著時(shí)間的推移而平衡，即使在沒有能源產(chǎn)出的情況下也是如此。

   在很大程度上，鋰離子電池使這些發(fā)展成為可能。這種電池徹底改變了能量存儲(chǔ)技術(shù)，并促成了移動(dòng)革命的實(shí)現(xiàn)。通過鋰離子電池的高電勢，高能量密度和高容量，這種電池類型為改善我們的生活做出了巨大貢獻(xiàn)，并將在未來幾年繼續(xù)發(fā)揮作用。然而，總體而言，電池的發(fā)展非常艱巨且具有挑戰(zhàn)性，尤其是鋰電池。自1800年亞歷山德羅·伏特提出他著名的“電池堆”以來，無數(shù)的科學(xué)家和工程師為電池的開發(fā)投入了巨大的努力。

   從基本結(jié)構(gòu)上，電池的工作原理是相對(duì)簡單的。電池由兩個(gè)電極組成，每個(gè)電極連接到一個(gè)電路，電解液可以容納帶電的物質(zhì)。通常情況下，電極之間被一種隔離材料隔開，這種隔離材料可以防止電極之間的物理接觸，從而避免電池短路。在放電模式下，當(dāng)電池驅(qū)動(dòng)電流時(shí)，負(fù)極（陽極）發(fā)生氧化過程，導(dǎo)致電子從電極流出并穿過電路。在正極（陰極）會(huì)發(fā)生一個(gè)互補(bǔ)的還原過程，從電路中獲得電子。電池電壓很大程度上取決于電極的電勢差，整個(gè)過程是自發(fā)的。對(duì)于可充電電池，這一過程可以逆轉(zhuǎn)，外加電流可作用于電極，產(chǎn)生互補(bǔ)的氧化還原反應(yīng)。這個(gè)過程是非自發(fā)的，需要能量輸入。

    許多在學(xué)術(shù)界、工業(yè)界甚至是獨(dú)立工作的科學(xué)家和工程師都為電池的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，他們也深深理解開發(fā)高效電池是一項(xiàng)非常困難的任務(wù)。因此，電池發(fā)展相對(duì)緩慢，只有極少數(shù)有效的電池配置在設(shè)計(jì)成功后應(yīng)用多年。例如，我們?nèi)匀灰蕾囉?9世紀(jì)中期發(fā)明的鉛酸電池。盡管如此，通過一系列突破性的多學(xué)科科學(xué)發(fā)現(xiàn)，包括電化學(xué)、有機(jī)和無機(jī)化學(xué)、材料科學(xué)等，研究人員解決了諸多挑戰(zhàn)，終于鋰離子電池成為現(xiàn)實(shí)，從根本上改變了我們的世界。

背景

   一種元素很少在戲劇中扮演核心角色，但2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的故事中，有一個(gè)明確的主角：鋰。這是一種在大爆炸的最初幾分鐘內(nèi)產(chǎn)生的古老元素。1817年，當(dāng)瑞典化學(xué)家Johan August Arfwedson和Jns Jacob Berzelius從斯德哥爾摩群島烏托礦（Ut Mine）的礦物樣本中提純出這種物質(zhì)時(shí)，人類才知道它的存在。

   Berzelius將這種新元素命名為“lithos”，這個(gè)詞在希臘語中意思是“石頭”。盡管名字很厚重，但它卻是最輕的固體元素。這也正是我們有時(shí)幾乎不會(huì)注意到手機(jī)的原因。

    更確切地說，瑞典化學(xué)家實(shí)際上并沒有發(fā)現(xiàn)純金屬鋰，而是發(fā)現(xiàn)了一種鹽形式的鋰離子。純鋰引發(fā)了許多火災(zāi)警報(bào)，尤其是在我們將要講述的故事中；這是一種不穩(wěn)定的元素，必須儲(chǔ)存在石油中，這樣才不會(huì)與空氣發(fā)生反應(yīng)。

   鋰是一種金屬，其外電子層只有一個(gè)電子，因此有很強(qiáng)的動(dòng)力把這個(gè)電子留給另一個(gè)原子。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，就會(huì)形成一個(gè)更穩(wěn)定的帶正電荷鋰離子。

   鋰的弱點(diǎn)是反應(yīng)性，但這也是它的優(yōu)點(diǎn)。20世紀(jì)70年代初， 斯坦利·威廷漢開發(fā)了第一塊功能齊全的鋰電池，他利用了鋰釋放其外層電子強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)力。1980年，古迪納夫?qū)㈦姵氐碾妱萏岣吡艘槐?，為開發(fā)更強(qiáng)大、更實(shí)用的電池創(chuàng)造了合適的條件。1985年，吉野彰成功地從電池中去除了純鋰，而是完全基于鋰離子，因?yàn)殇囯x子比純鋰更安全。

   這使得鋰電池成為了實(shí)際可行的電池。鋰離子電池給人類帶來了巨大的好處，使筆記本電腦、手機(jī)、電動(dòng)汽車以及太陽能和風(fēng)能的儲(chǔ)存成為可能。

   我們將回到50年前，回到鋰離子電池最初的時(shí)代。

石油陰霾使電池研究重獲新生

    最初的可充電電池的電極中含有固體物質(zhì)，當(dāng)它們與電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)就會(huì)分解。這一過程會(huì)損毀電池。斯坦利·威廷漢的鋰電池的優(yōu)點(diǎn)是，鋰離子儲(chǔ)存在陰極的二硫化鈦空間中。當(dāng)電池使用時(shí)，鋰離子會(huì)從陽極的鋰流向陰極的二硫化鈦；而當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子又會(huì)回流。

   20世紀(jì)中期，世界上使用汽油的汽車數(shù)量顯著增加，汽車排放的廢氣使大城市里的有害霧霾更加嚴(yán)重。與此同時(shí)，人們?nèi)找嬲J(rèn)識(shí)到石油是一種有限資源。這一切都為汽車制造商和石油公司敲響了警鐘。如果他們的企業(yè)要生存下去，就需要投資電動(dòng)汽車和替代能源。

   電動(dòng)汽車和替代能源都需要強(qiáng)大的電池來儲(chǔ)存大量的能量。實(shí)際上，當(dāng)時(shí)市場上只有兩種類型的可充電電池：早在1859年發(fā)明的鉛酸電池（目前仍然用作燃油汽車的啟動(dòng)電池）和20世紀(jì)上半葉發(fā)明的鎳鎘電池。

石油公司投資新技術(shù)

   面臨石油枯竭的威脅，石油巨頭?？松‥xxon）決定將其業(yè)務(wù)多樣化。在一項(xiàng)基礎(chǔ)研究的重大投資中，?？松菊心剂水?dāng)時(shí)在能源領(lǐng)域最重要的一些研究人員，讓他們可以自由地做幾乎任何想做的事情，只要不涉及石油。

   當(dāng)以純鋰為陽極的電池充電時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鋰枝晶的形成。這些鋰枝晶會(huì)使電池短路，引起火災(zāi)甚至爆炸。

   斯坦利·威廷漢是1972年加入?？松镜目茖W(xué)家之一。他來自斯坦福大學(xué)，從事某些固體材料的研究。這些材料中具有原子大小的空間，可以讓帶電離子附著在上面。這種現(xiàn)象稱為嵌入（intercalation）。當(dāng)離子在材料內(nèi)部被捕獲時(shí)，材料的性質(zhì)就會(huì)改變。在?？松?，斯坦利·威廷漢和同事開始研究超導(dǎo)材料，包括可以嵌入離子的二硫化鉭。他們在二硫化鉭中加入離子，并研究其電導(dǎo)率會(huì)受何影響。

   威廷漢發(fā)現(xiàn)了一種能量密度極高的物質(zhì)

    就像科學(xué)上經(jīng)常發(fā)生的情況一樣，這個(gè)實(shí)驗(yàn)帶來了一個(gè)意想不到的發(fā)現(xiàn)。原來鉀離子會(huì)影響了二硫化鉭的電導(dǎo)率。當(dāng)斯坦利·威廷漢開始詳細(xì)研究這種材料時(shí)，他觀察到它有非常高的能量密度。也就是說，鉀離子和二硫化鉭之間的相互作用具有驚人的能量。當(dāng)威廷漢測量這種材料的電壓時(shí)，發(fā)現(xiàn)可達(dá)好幾伏，這比當(dāng)時(shí)的電池好多了。斯坦利·威廷漢很快意識(shí)到是時(shí)候改變方向了，他轉(zhuǎn)向了能為未來的電動(dòng)汽車儲(chǔ)存能量的新技術(shù)。然而，鉭是一種比較重的元素，而市場上不需要裝載更重的電池。因此，他用鈦代替了鉭，鈦的性質(zhì)與鉭相似，但重量輕得多。