諾貝爾化學獎之問：鋰離子電池之后會是什么？
2019年10月14日 8:51 5245次瀏覽 來源： 銳時空 分類： 鋰
剛剛過去的一星期可以稱之為“諾貝爾獎周”，諾獎有關的信息排山倒海而來，占據了大小屏幕和人們注意力的中心。
小銳特別想和大家聊聊化學獎，因為如果沒有3位獲獎的老爺爺貢獻的鋰離子電池技術，我們今天就不可能生活在擁有小巧輕便的手機、平板電腦以及各種電動車、無人機的世界了。
2019年10月9日，瑞典皇家科學院宣布，將2019年諾貝爾化學獎授予約翰·B·古迪納夫、M·斯坦利·威廷漢、吉野彰3位科學家，表彰他們“創(chuàng)造了一個可充電的世界”。
他們開發(fā)的鋰離子電池究竟對世界有何貢獻，未來發(fā)展前景又如何呢？
充電技術塑造現代化生活
上世紀70年代，石油危機促使科學家加緊研究，以擺脫對化石燃料的依賴，鋰電池應運而生。
此后，隨著對移動設備的需求迅速提高，“便攜式”、“無繩”和“無線”等術語被頻繁使用，迫切需要開發(fā)具有高能量密度和可充電性的二次電池，以減小移動設備的體積和重量。
80年代，首個鋰離子電池問世，之后不斷進化，奠定了當今社會的科技基礎。
依賴化石燃料的火電廠
首先，斯坦利·威廷漢用二硫化鈦作為正極、金屬鋰作為負極制成了鋰離子電池，但因金屬鋰活性太強，電池極易爆炸。
隨后，約翰·古迪納夫利用嵌入鋰離子的氧化鈷制成正極，獲得了更大的電流強度和穩(wěn)定性。
最后，吉野彰在古迪納夫鈷酸鋰正極的基礎上，用石墨作為負極，于1985年開發(fā)出第一個商用鋰離子電池。這種電池中，鋰離子可以在正負極之間來回流動，產生電流。
鋰離子電池的實際應用極大促進了各種設備的小型化，混合動力汽車和電動汽車取代汽油車，不僅可以有效減少碳排放，控制溫室效應，還可以在災害導致停電的情況下用作應急電源，前景廣闊。
日本三洋鋰電池
鋰離子電池接近理論極限
然而，雖然鋰離子電池的性能已極大改善，但如果要將鋰離子電池用于汽車甚至飛機，還需要進一步降低成本和提升安全性。
目前，電動汽車一次充電續(xù)航里程已超過400公里。但在實際使用環(huán)境下，往往達不到理論里程，而且隨著使用次數增加，鋰離子電池還會出現老化。
如果簡單增加鋰離子電池的數量來延長續(xù)航里程，將增加重量、油耗和電池成本。
現有的鋰離子電池開發(fā)已接近理論極限，難以進一步提高性能并延長電池壽命，必須著眼未來，開發(fā)能夠取代鋰離子電池的新型蓄電池。
鋰空氣電池呼之欲出
鋰空氣電池是一種利用空氣中氧氣進行化學反應以產生電能的新型電池。
由于鋰離子電池在化學反應過程中需要消耗電池內部物質，所以需要較大的電池體積。鋰空氣電池依靠電池外部空氣中的氧氣進行正極化學反應，因此可以相應地減小體積。
在鋰空氣電池組實驗中，研究者將一組10個直徑16毫米的圓形鋰空氣電池制成一組，將10組疊起來制成一包，其厚度僅為8毫米。
鋰空氣電池的發(fā)電量是相同重量的鋰離子電池的5至10倍，是目前能量密度的理論值最高的電池。
但是，鋰空氣電池的問題是會逐漸老化，以及必須使用氧氣，難以應用于太空飛行。
全固態(tài)電池顛覆常識
新型蓄電池的另一位“種子選手”是由固態(tài)部件組成的全固態(tài)電池。
鋰離子電池通過鋰離子在內部電解質液體中流動以產生電流。 但由于電解液是易燃液體，如用于飛機，可能由于氣壓變化，導致漏液引發(fā)。
全固態(tài)電池采用固體電解質，具有更好的耐熱性，與鋰離子電池60度的溫度上限相比，全固態(tài)電池可在接近100度的溫度下運行。
因此，盡管全固態(tài)電池的能量密度不如鋰空氣電池高，但通過改進正負極和固態(tài)電解質的材料和結構，仍然具有很高的實用性。
鋰離子或將退出歷史舞臺？
隨著材料學研究的進展，也許鋰離子作為蓄電池“王者”的地位終將動搖。
最新研究已經發(fā)現，有望利用鈉開發(fā)制造“鈉離子電池”，代替資源稀缺的鋰離子。還有可能制造能量密度超過鋰離子電池的“鎂二次電池”。
現代社會對于輕便、耐用、廉價和安全的電池的需求，正在催生新一代蓄電池的出現。鋰離子電池從誕生到全盛，僅用了短短40年。我們正處在第四次工業(yè)革命時代，新一代電池之王需要多久才會誕生呢？這一次，又會是哪些科學家會為徹底改變我們的生活做出貢獻呢？讓我們一起拭目以待吧。
文：銳時空
責任編輯：周大偉
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