當(dāng)我們拿起 手機時， 要感謝這三個人

三三

10月9日，2019年諾貝爾化學(xué)獎授予約翰·B·古迪納夫、M·斯坦利·威廷漢、吉野彰，以表彰他們在鋰離子電池領(lǐng)域做出的貢獻。

手機、相機、電腦，我們身邊熟悉的物品之所以是現(xiàn)在的模樣，都離不開鋰電池的功勞。舉個例子來講，20世紀(jì)50年代的一部手機重量達到80磅，大概72.5斤左右，相當(dāng)于一個七八歲兒童的重量。其中很大的重量來自手機電池。

自上世紀(jì)70年代誕生以來，鋰電池憑借體積更小，能量密度更大，可再充電等等特點一直在能量存儲技術(shù)中占據(jù)絕對地位。所以，當(dāng)我們輕松不費勁地拿起最熟悉的手機的時候，要記得感謝上面三位科學(xué)家。

鋰電池的出現(xiàn)并非偶然。一直到20世紀(jì)中期，石油依然是人類主要的驅(qū)動能源。但隨著燃油汽車數(shù)量的顯著增加，石油資源的有限性受到關(guān)注，汽車排放的廢氣也已經(jīng)成為急需解決的問題。一些企業(yè)的先行者們開始意識到，如果企業(yè)要生存，必須要尋找新的能源。

最先行動起來的是石油巨頭?？松?，?？松谠瓉淼闹鳂I(yè)之外，開始投入大量資金進行基礎(chǔ)研究，公司招募了一批當(dāng)時在能源領(lǐng)域最重要的一些研究人員，給予他們充分的自由做想做的事情。

斯坦利·威廷漢就是眾多研究成員中的一個，他來自斯坦福大學(xué)，研究方向是固體材料。1972年，他加入?？松?。一開始斯坦利·威廷漢專注于研究超級導(dǎo)體材料，希望以此發(fā)現(xiàn)新的能源物質(zhì)。他們在二硫化鉭中加入離子，并研究其電導(dǎo)率會受何影響。他們在一次實驗中發(fā)現(xiàn)鉀離子會影響二硫化鉭的電導(dǎo)率，兩者相互作用之后能夠產(chǎn)生驚人的能量。

那時候，市場上已經(jīng)有可充電電池，但因為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)時就會分解。這一過程會損毀電池。斯坦利·威廷漢則發(fā)現(xiàn)，他們發(fā)現(xiàn)的這種材料電壓比當(dāng)時的電池要好很多。他經(jīng)過多年的實驗和研究，最終采用用硫化鈦鋰作為鋰電池的陰極材料，金屬鋰作為陽極材料，制成了一款可在室溫下工作的可充電鋰電池。

不過，當(dāng)生產(chǎn)計劃開始實施的時候，斯坦利·威廷漢的小組開始遇到困難。他們發(fā)現(xiàn)，隨著電池的反復(fù)充電，電池會出現(xiàn)短路并一次次引發(fā)爆炸。這帶來的直接后果是消防隊一次次出動到他們的實驗室撲滅火災(zāi)。斯坦利·威廷漢等人還被告知實驗室如果再發(fā)生爆炸就要支付撲滅火災(zāi)所用化學(xué)物質(zhì)的費用。

斯坦利·威廷漢等人在實驗后發(fā)現(xiàn)，鋰電池使用的電極材料金屬鋰，是世間最活潑的元素之一，非常容易燃燒。這樣的特性使得生產(chǎn)鋰電池的技術(shù)要求非常高。斯坦利·威廷漢只得在金屬鋰電極中加入了鋁，兩個電極之間的電解液也進行了更換。斯坦利·威廷漢等人隨后開始為一家瑞士鐘表商進行小規(guī)模生產(chǎn)，他們下一步的目標(biāo)是擴充電池的容量，以便使其能夠為汽車充電。不過到了1980年代初，石油價格顯著下降，?？松拘枰鳒p成本，相關(guān)的研究也就停了下來。

這個時候，古迪納夫已經(jīng)在英國牛津大學(xué)擔(dān)任無機化學(xué)教授。在此之前，他在美國麻省理工學(xué)院林肯實驗室工作多年。由于林肯實驗室受空軍資助，不允許做替代能源方面的研究，古迪納夫這才跳了槽。

此時古迪納夫已經(jīng)了解斯坦利·威廷漢發(fā)明的新電池技術(shù)。不過，他的專業(yè)知識讓他開始往前邁進一大步。他想，如果用金屬氧化物做電池的陰極，就可以提高陰極的電勢。在隨后的一段時間里，他的研究組都在尋找合適的金屬氧化物，直到發(fā)現(xiàn)了鈷酸鋰材料——將鈷酸鋰材料用在電池的陰極，電池產(chǎn)生的電壓將可以提升兩倍。另外一項關(guān)鍵性發(fā)現(xiàn)是，電池并不需要保持在充電狀態(tài)下才能生產(chǎn)，但此前電池都是在這種狀態(tài)下生產(chǎn)出來的。1980年，古迪納夫?qū)ν夤剂怂麄儼l(fā)現(xiàn)的新的陰極材料，分量輕，生產(chǎn)出的電池性能卻更加強勁。這被視為人類進入移動時代的關(guān)鍵一步。這時候他已經(jīng)58歲。

事實上，古迪納夫關(guān)于鋰電池的研究并沒有停止。一直到90歲的時候，他還在致力于解決鋰電池的枝晶問題。此時，鋰電池早已成為各大電子消費品的主要組成，但鋰枝晶問題一直是鋰電產(chǎn)業(yè)面臨的幽靈問題。枝晶是由于動力學(xué)因素鋰金屬表面形成的“小毛刺”，這些小刺會隨著電池的使用逐漸長大，最終會刺破電池正負極之間的隔膜，引發(fā)短路，最終導(dǎo)致電池自燃。古迪納夫開始投入到全固態(tài)電池研究中去——全固態(tài)電池將原先的液態(tài)有機電解池換成一種全新的固態(tài)電解質(zhì)，不僅能防止枝晶問題的產(chǎn)生，而且可以保持電池的儲電性能。

與斯坦利·威廷漢、古迪納夫共分諾獎獎金的是日本的化學(xué)家吉野彰。吉野彰是旭化成研究員、名古屋明城大學(xué)教授。他的貢獻是實現(xiàn)了把純粹的鋰從電池中剝離出來，這使得鋰電池變得更加安全、更適合日常生活中的各種應(yīng)用。完全基于鋰離子的鋰電池，壽命也變得更長，在充電數(shù)百次后性能才會下降。1991年，一家大型日本企業(yè)率先開始銷售鋰離子電池，這在電子業(yè)引發(fā)了一場革命。自此之后，我們的手機體積不斷縮小，便攜電腦的出現(xiàn)也方便了不少。

其實，從鋰電池獲得諾獎這件事情，我們會發(fā)現(xiàn)，諾貝爾獎看起來“高艱深”，但其研究成果已經(jīng)遍布在我們的生活中。

諾獎離我們并不遠，比如說2014年的諾貝爾物理學(xué)獎是為了表彰科學(xué)家開發(fā)了藍光LED技術(shù)——采用藍光LED技術(shù)的產(chǎn)品進入了千家萬戶，為我們照明;它們又存在我們的手機和相機里。還有1991年的諾貝爾化學(xué)獎是頒給了核磁共振成像，我們的心臟、大腦、骨骼的各種診斷都是依賴于這種技術(shù)的出現(xiàn)。

摘自《三聯(lián)生活周刊》