化學(xué)×物理

■ 文/ ChenyuZHU

鋰電池獲諾貝爾獎：比你出生還早的它，紅得太晚

鋰電池不是什么新鮮玩意兒，手機(jī)、筆記本電腦、相機(jī)、移動充電寶……我們早就熟悉了它的存在，可為什么最近才讓人家走上“池生巔峰”，獲得諾貝爾獎？

日本東京，2019年諾貝爾化學(xué)獎得主吉野彰（Akira Yoshino）在抵達(dá)日本旭化成株式會社（Asahi Kasei）時受到公司員工的熱情歡迎。

“鋰”是誰

你可以不看電視，不用電腦，但你能不刷手機(jī)嗎？如果答案是否定的，就請趕快叩謝一直給手機(jī)續(xù)航的鋰電池君吧。沒有它，你的手機(jī)不是重如磚石，就是廢鐵一塊。

“老鋰”獲獎的消息刷爆了我們的屏。很多人納悶，為什么要給自己的老熟人鋰電池頒諾獎。要回答這個問題，首先得明白“鋰”是誰。

打開元素周期表，鋰元素排在第三位，是所有金屬中原子半徑最小的，理論上作為電池的電極材料可以擁有很高的能量密度，也就是持久耐用，比其他電極材料都要更長情。但同時，它位于元素周期表第一主族，屬于化學(xué)性質(zhì)非常活潑的金屬，可不是你想駕馭就駕馭得了的！

第一任老父親

不少科學(xué)家在研發(fā)電池這條路上跌跌撞撞，踟躕不前，時代在等待一位電池英雄誕生，而這個人就是前不久諾貝爾化學(xué)獎得主之一邁克爾·斯坦利·惠廷漢姆。

上世紀(jì)70年代，他在埃克森美孚公司的資助下，研究出第一代鋰離子電池。在這種電池中，鋰離子可以通過電解液嵌入層狀結(jié)構(gòu)的二硫化鈦中產(chǎn)生電能（我知道你看不懂這句話，不重要），并且這個過程是可逆的，因此可以反復(fù)充電放電。于是，我們終于看到了新型電池的曙光。

惠廷漢姆發(fā)明的鋰離子電池在化學(xué)原理上沒有問題，奠定了鋰電池的第一個里程碑，但萬萬沒想到卻被兩個物理問題拖了后腿：在電池充電放電過程中，電池負(fù)極會長出樹狀的鋰晶體，隨著時間的推移，它會越長越大，最后刺破電池內(nèi)部隔膜導(dǎo)致正負(fù)極短路。新聞里的“手機(jī)爆炸”往往都是這個原因?qū)е碌模@種電池就像一顆隨時會爆炸的炸彈；另外，硫化鈦正極材料本身存在缺陷，在充電過程中，它會不斷從正極往負(fù)極移動，最終使得正極材料的身體被掏空，結(jié)構(gòu)崩塌導(dǎo)致電池?fù)p壞。

隨時可能爆炸，使用期有限，這樣的鋰離子電池就問你敢用不敢用！銷量慘兮兮，導(dǎo)致投入巨大的埃克森美孚公司虧損嚴(yán)重。但惠廷漢姆的研究為后人改進(jìn)鋰電池奠定了基礎(chǔ)。

第二任老父親

解決正極材料問題的是和惠廷漢姆一起分享化學(xué)獎的另一位得主——固體物理學(xué)家約翰·古迪納夫。正如其名，“足夠好（古迪納夫音譯Goodenough）”先生把鋰離子電池升級到了足夠好。

經(jīng)過他的不懈研究，最終找到了新的正極材料——鈷酸鋰和鎳酸鋰，用于代替第一代的二硫化鈦。這兩種材料解決了正極的崩塌問題。但由于第一代鋰離子電池的失敗，導(dǎo)致?？松梨诠久墒芫薮髶p失，業(yè)界對古迪納夫的研究并不看好。就在大多數(shù)人對鋰離子電池已經(jīng)不抱希望的時候，工學(xué)教授吉野彰站了出來。

第三任老父親

遠(yuǎn)在日本研發(fā)鋰離子電池的他，在當(dāng)時已經(jīng)找到了石墨這一優(yōu)秀的電池負(fù)極材料，可以說，與古迪納夫的研究一拍即合。在看到古迪納夫的研究后，他利用鈷酸鋰作為正極材料，石墨作為負(fù)極材料，做出了世界上第一塊真正可以應(yīng)用到電子產(chǎn)品中的鋰離子電池，并在1991年，與索尼公司合作，生產(chǎn)出了第一款使用鋰離子電池的“大哥大”手機(jī)。隨后，帶有鋰離子電池的智能手機(jī)、無人機(jī)、智能手表等相繼問世。

惠廷漢姆開了鋰離子電池研究的先河，古迪納夫讓鋰離子電池更加穩(wěn)定高效，吉野彰在鋰離子電池不被看好時力挽狂瀾，三位科學(xué)家由于他們的杰出貢獻(xiàn)被稱為“鋰離子之父”。

欠你一座諾貝爾獎

嗯！他們真厲害。所以諾獎評委早干啥去了，最近才想起給三位偉大的老父親頒個獎。真的是他們太健忘嗎？這就得說說鋰離子電池對近年來大熱的新能源汽車的影響了。

大部分人出生后看見的第一輛車是內(nèi)燃機(jī)汽車。但你知道嗎，電動汽車的發(fā)明其實比內(nèi)燃機(jī)汽車更早。

1912年之前，電動汽車一直在市場份額上占有優(yōu)勢，后來，由于電池技術(shù)落后，不爭氣的電動汽車被歷史涼涼，墳頭草都長了三尺高。就像數(shù)碼音樂K.O掉了音樂磁帶。

本以為電動汽車永無出頭之日，沒想到，因為鋰離子電池發(fā)展史上英雄輩出，電動汽車又被重新續(xù)了命。

我們總在提倡綠色出行，愛護(hù)環(huán)境，而內(nèi)燃機(jī)汽車帶來的污染，已經(jīng)大到整個世界都無法忽視。新能源汽車簡直承載了地球的希望！

如今，電動汽車又叫新能源汽車，路上“突突”駛過的綠牌車就是它本車無疑了。

鋰電池君加油呀

或許沒有鋰電池的革新，我們也會試著重啟電動汽車，不過路上的畫風(fēng)也許是這樣的：一輛五座汽車只有前排兩座坐人，后排囤著一塊兩噸重的電池，于是你在路邊揮一揮衣袖，叫了聲“taxi”，然后，一噸重的車加掛兩噸重的電池馳騁在路上的畫面，讓你成為整條路上最拉風(fēng)的仔。

不可接受！還好有鋰電池斷了這些可怕畫面的路。

新能源汽車解決了汽車尾氣對環(huán)境的污染，同時降低使用成本，還能讓出行變得更便捷?；蛟S在未來世界，我們不僅有路上跑的新能源汽車，還有空中飛的新能源飛機(jī)、海里行駛的新能源游船……鋰電池推動了世界的發(fā)展，這個理由足以向所有人宣告“不以時間論英雄，三位‘鋰離子之父’獲諾獎實至名歸”。