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新知｜寻找下一个超级电池

2019年度诺贝尔化学奖，授予了美国科学家约翰·古迪纳夫、英国科学家斯坦利·惠廷厄姆和日本科学家吉野彰，以表彰三位科学家在锂离子电池研发领域的贡献。

三位科学家“驯服”了锂离子，为所有人创造了一个可重复充电的世界。时至今日，锂离子电池这种轻巧、可充电且功能强大的发明，出现在每个人都熟悉不过的手机、笔记本电脑等几乎所有电子类产品中。

前世

漫漫锂电池研究征程

如果没有锂离子电池，出门在外，你恐怕得为手机准备上一打镍镉电池，以防它打上几个电话就宣告罢工。

“锂离子电池主要由阴极、阳极、电解液、隔膜、外电路等部分组成，依靠锂离子在正负极之间的移动产生电流。电池正负极材料的选择对于能效和安全性至关重要。 ”河北科技大学材料学院教授王波说，目前最普遍的可充电锂离子电池，使用钴酸锂材料为正极，碳材料为负极，具有能量密度高、循环寿命长、安全可靠等优点。凭借这些优势，它已经渗透进了人类生活的方方面面。

当然，在锂离子电池商业化之前，是一段需要前人摸索的漫长崎岖的道路。

锂电池的起源要追溯到“锂元素”被人类发现那一年。 1817年，瑞典化学家在一颗小矿石上找到了“锂” ，命名为“Li” 。锂是地球上已知质量最轻、元素周期表里活泼性排前几名的金属元素。

因为活泼性高，哪怕碰到空气也会剧烈反应，发出高温，甚至爆炸。据介绍， 1KG锂完全反应发出的热量等于燃烧2万吨优质煤，火箭常用它做燃料。

在100多年时间里，锂一直被当作“霉香咸鱼”挂在元素周期表内。后来， “铅酸电池”与“镉镍电池”在法国人和瑞典人手里出世，但由于存在严重污染环境、体积大电量小寿命短、难以商业化不挣钱的缺陷，科学家们渐渐将其打入冷宫，最后电池成了没人要的可怜“孩子” 。

直到1966年，福特公司转型做电动汽车，美国掀起一波电池热潮。

科学家们纷纷又投身于“电池”领域的研发当中，寻找合适的电池材料作为储存电能的装置，先后尝试过多种电池材料，如铜、铁、锌、铅、汞、镁等等，电池的改进方向主要以提升容量和循环性能等指标为主。

这种情况下，锂电池的雏形诞生了。上世纪70年代，供职于美国埃克森石油公司的斯坦利·惠廷厄姆起草了锂电池的初始设计方案，二硫化钛为阳极材料，金属锂为阴极材料。两者之间的电化学反应非常迅速，且在环境温度下是可逆的。

牛津大学的无机化学实验室主任约翰·古迪纳夫看出了用二硫化钛作为锂电池的材料具有高温、剧毒、自毁等缺点，于是他决定寻找一种新材料，替代二硫化钛，让锂电池变得更安全、稳定、便宜。

古迪纳夫用了四年时间， 1980年，他找到了锂电池的最佳伴侣——钴。

“用钴作为电池的正极，实现了一次超级进化，循环充电、重复利用不再是问题。 ”王波说，同等体积下，这种电池的能量密度是其他电池的3倍以上，并且更便宜。

“虽然性能非常优秀，但它有一个致命的缺点。 ”王波说，金属锂作为负极的锂电池在循环充电放电后产生“锂枝晶”的化学反应，锂枝晶相当于电池内部一根根细小的刺，随着充电放电次数不断增加，最终戳破电池隔膜自燃自爆，自燃率接近100% 。