鋰離子電池研究獲2019 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)

Sean O’Neill

鋰離子電池奠定了無(wú)線、無(wú)化石燃料社會(huì)的基礎(chǔ)，對(duì)人類具有極大益處。從智能手機(jī)、筆記本電腦等消費(fèi)電子產(chǎn)品，到電動(dòng)車和風(fēng)能、太陽(yáng)能等大型儲(chǔ)能裝置，如今鋰離子電池已成為我們生活中不可或缺的“能量源”。2019年10月，在LIB的發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用的三名科學(xué)家（工程師）共同獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)（圖 1）[1]。

20世紀(jì)70年代，M. Stanley Whittingham（現(xiàn)供職于美國(guó)紐約州立大學(xué)賓漢姆頓分校）發(fā)現(xiàn)了一種高能材料——二硫化鈦，他將這種材料作為L(zhǎng)IB的一種新型陰極。這種電池在充/放電循環(huán)中，帶正電荷的鋰離子在電極之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，電池的電勢(shì)超過(guò)2 V，但其陽(yáng)極含有高活性金屬鋰，因此會(huì)有爆炸的可能性。

接下來(lái)講述的是現(xiàn)供職于美國(guó)得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的John B. Goodenough，他現(xiàn)年97歲，是歷史上諾貝爾獎(jiǎng)獲得者中最年長(zhǎng)的一位。他曾預(yù)測(cè)金屬氧化物會(huì)比金屬硫化物提供更高的電勢(shì)，并在1980年指出以鈷氧化物作為陰極的鋰電池電勢(shì)可以達(dá)到4 V。

1985年，Akira Yoshino（現(xiàn)供職于日本名古屋名城大學(xué)）使用石油焦代替電池陽(yáng)極上的活性鋰，創(chuàng)造了一種更安全、更具商業(yè)可行性的LIB。

如今，無(wú)處不在的LIB推動(dòng)了便攜式設(shè)備的繁榮發(fā)展，尤其是手機(jī)和筆記本電腦，并使正在進(jìn)行的電動(dòng)汽車（EV）革命成為可能。

但LIB的發(fā)展還在繼續(xù)。為改進(jìn)電池性能，人們?cè)诓粩嗟匮芯啃滦弯嚮瘜W(xué)物質(zhì)和電池配置。如今的LIB技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了40年，電池性能的提升變得越來(lái)越困難。電池技術(shù)的變化也受到電池生產(chǎn)環(huán)境和倫理影響的推動(dòng)，這些是人們更加關(guān)注的焦點(diǎn)。與之競(jìng)爭(zhēng)的固態(tài)電池技術(shù)方面的研究也很活躍。

2020年年初，澳大利亞維多利亞州莫納什大學(xué)機(jī)械和航空航天工程系研究員Mahdokht Shaibani博士和他的同事因鋰-硫電池的突破性研究而登上了新聞?lì)^條[2]。使用硫陰極可以比使用傳統(tǒng)LIB儲(chǔ)存更多的能量，但因?yàn)槠湓谑褂眠^(guò)程中會(huì)吸收和釋放鋰離子，且體積會(huì)發(fā)生很大變化（約78%），所以會(huì)導(dǎo)致硫電極在使用過(guò)程中分解并迅速喪失容量。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，Shaibani和他的同事開發(fā)了一種可擴(kuò)展的電極體系結(jié)構(gòu)。盡管硫陰極通常是通過(guò)將硫微粒的懸浮液用致密的聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在一起制成的，但該團(tuán)隊(duì)使用了更小比例的相同黏結(jié)劑，將硫微粒用聚合物“橋”接起來(lái)，并留下了相對(duì)較大的空隙來(lái)適應(yīng)硫陰極劇烈的膨脹和收縮。他們的制造方法獲得了“前所未有的高區(qū)域容量”、200多次充電循環(huán)的高穩(wěn)定性，以及99%以上的充/放電效率[2]。

Shaibani說(shuō)：“理論上，鋰-硫系統(tǒng)提供的比能與鋰離子相比增加了5倍，而且成本大大降低。但從實(shí)際應(yīng)用角度來(lái)看，考慮到我們的研究小組和其他研究人員目前的研究進(jìn)展，電池組容量在推向市場(chǎng)時(shí)預(yù)計(jì)會(huì)增加2倍左右，這個(gè)有望在未來(lái)2～4年內(nèi)實(shí)現(xiàn)?！?/p>

可充電電池容量的翻倍將推動(dòng)高能耗智能手機(jī)的發(fā)展。雖然高端EV特斯拉Model S的續(xù)航里程可達(dá)373 mi（注：1 mi = 1.609 344 600 km）[3]，但大多數(shù)EV的續(xù)航里程遠(yuǎn)低于這個(gè)數(shù)字[4]。鋰-硫電池容量的增加對(duì)降低與當(dāng)今EV相關(guān)的“里程焦慮”（range anxiety）大有幫助。

從環(huán)保的角度來(lái)說(shuō)，鋰-硫電池也可能是更可取的。硫陰極是用豐富的硫、碳和黏合劑制成的，不需要重金屬成分。Shaibani說(shuō)： “更綠色、更可持續(xù)和更合乎倫理的電池發(fā)展之路是我們研究理念的核心，我們?cè)O(shè)計(jì)的電極與當(dāng)今的電極性能相當(dāng)或更加優(yōu)越，但本質(zhì)上更加環(huán)保，并采用全球儲(chǔ)量豐富的電極材料?！?/p>

IBM公司顯然正在開發(fā)一種類似的環(huán)保電池。2019年12月，位于美國(guó)加利福尼亞州圣何塞的IBM Almaden研究中心的下一代電池材料創(chuàng)新經(jīng)理Young-hye Na宣布，發(fā)現(xiàn)了一種新電池的化學(xué)成分，這種成分能“從海水中提取”，并可以取代重金屬或其他材料來(lái)源緊張的物質(zhì)[5]。IBM公司還聲稱其電池具有比LIB更大的功率密度，并使用了低易燃性的電解液。但是，目前該公司還沒有公布任何有關(guān)這些材料的佐證或細(xì)節(jié)。

這些創(chuàng)新因幾個(gè)緊迫的原因而受歡迎，其中之一是倫理原因?，F(xiàn)代LIB的典型陰極中含有鎳、錳和鈷氧化物，而鈷帶來(lái)的危害尤其嚴(yán)重。世界上大約一半的鈷是由剛果民主共和國(guó)提供，人們（包括兒童）通常在危險(xiǎn)的條件下開采鈷，這使得一些人稱鈷為“電池中的血鉆”（blood diamond of batteries）[6]。

但即使沒有鈷的這一負(fù)面原因，供應(yīng)問(wèn)題也迫在眉睫。EV市場(chǎng)正在蓬勃發(fā)展，2018年的銷量超過(guò)200萬(wàn)輛，預(yù)計(jì)到2030年將超過(guò)2800萬(wàn)輛[7]。如果是這樣的話，最早在2025年鈷的供應(yīng)量就會(huì)不足[8]。美國(guó)科羅拉多州博爾德市凱恩能源研究顧問(wèn)公司的總經(jīng)理Sam Jaffe將這種情況描述為“對(duì)鋰離子行業(yè)發(fā)展的嚴(yán)重且可能無(wú)法解決的制約因素”[9]。

LIB的另一個(gè)令人遺憾的方面是，鋰離子通過(guò)的內(nèi)部液體電解質(zhì)通常不穩(wěn)定[10]。例如，2016年三星公司生產(chǎn)的Galaxy Note 7移動(dòng)設(shè)備由于電池過(guò)熱而爆炸被召回兩次，然后停產(chǎn)[11]。在裝有電池的EV中，電池的穩(wěn)定性尤其重要。這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)潛在解決方案是固態(tài)電池，理論上固態(tài)電池可以達(dá)到更高的能量密度[12]。此外，這種電池可以在傳統(tǒng)電池中液體結(jié)冰或沸騰的溫度范圍內(nèi)被安全使用。在許多挑戰(zhàn)中，最關(guān)鍵的一個(gè)挑戰(zhàn)是開發(fā)出能像標(biāo)準(zhǔn)電池中使用的液體電解質(zhì)一樣快速傳導(dǎo)離子的固體材料。包括福特汽車公司和寶馬汽車公司在內(nèi)的汽車制造商正在投資固態(tài)電池技術(shù)的研發(fā)，有傳言稱豐田汽車公司將在2020年?yáng)|京夏季奧運(yùn)會(huì)上展示一款裝有固態(tài)電池的EV原型，但是該公司至少在五年內(nèi)不會(huì)生產(chǎn)量產(chǎn)車[13]。無(wú)論如何，固態(tài)電池都不太可能在短時(shí)間內(nèi)與LIB競(jìng)爭(zhēng)主導(dǎo)地位[14]。

總之，為改進(jìn)LIB或便攜式電池所做出的努力不能掩蓋現(xiàn)在LIB所取得的令人震驚的進(jìn)步。正如瑞典皇家科學(xué)院在宣布2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)時(shí)所指出的那樣，LIB“為無(wú)線、無(wú)化石燃料的社會(huì)奠定了基礎(chǔ)，并為人類帶來(lái)了最大的好處”[15]。