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从智能手机、笔记本电脑等消费电子产品,到电动车和风能、太阳能等大型储能装置,如今锂离子电池已成为我们生活中不可或缺的“能量源”。

如今,锂离子电池应用已经遍布普通人身边,但科学探索仍在继续。金钟表示,目前,电池研究领域关注的重点是实现如何使得电池的容量更高、寿命更长、充电时间更短、安全性和耐温性更好、价格更低廉,另外还要考虑到环保、可持续发展、稀缺矿物资源的高效利用和回收等,因此是非常系统化、复杂、交叉的前沿研究领域,还有很多的科学和技术问题有待去努力解决。

20世纪70年代的石油危机催生了对新能源储能的需求,也推动了电池研发,为未来锂离子电池打下基础。当时正致力于超导体研发的惠廷厄姆创新地使用二硫化钛作为阴极材料存储锂离子,以金属锂作为部分阳极材料,制成了首个新型电池。但由于金属锂化学特性过于活泼,这种电池具有易爆炸的潜在危险。

本届诺贝尔化学奖花落锂离子电池可谓众望所归。早在20世纪70、80年代,三位获奖研究者就确立了现代锂离子电池的基本框架,20世纪90年代起,锂离子电池开始大规模进入市场,如今已几乎无处不在。

金钟介绍,锂离子电池的发展包含了无数科学家的心血。长久以来,人们一直在努力研发能够存储大量电能的设备,用来给电气设备、电子元件提供动力。“以前的传统电池都或多或少地存在若干缺点,比如能量密度低、循环寿命短、价格高昂等。而锂离子电池,是科学家们经过不懈努力后,找到的一种性能足够好、价格平民化的电化学储能器件,称得上是一个革命性的突破。”

诺贝尔委员会成员奥洛夫·拉姆斯特伦评价获奖成果时说:“这一神奇电池所带来的巨大的、惊人的社会影响有目共睹。”诺贝尔委员会还说,获奖研究有助于我们从由化石燃料驱动的生活方式转向由电能驱动的生活方式,对于应对气候变化也至关重要。

这个时候,约翰·古迪纳夫预测,如果使用金属氧化物制成电池的阴极,而不是金属硫化物,将具有更大的潜力。经过系统的搜索,他在1980年证明了嵌入锂离子的氧化钴可以产生多达4伏的电压。他使锂离子电池体积更小、容积更大、使用方式更稳定,从而实现商业化,同时也开启了电子设备便携化进程。

“电池的研究是一个非常有活力、引人入胜的研究领域。”金钟透露,科学家们正在开发下一代更高性能的锂离子电池,比如全固态、柔性锂离子电池等,也在研究其他的新型电池,包括锂硫电池、多价离子电池、金属空气电池和液流电池等,大家认为这些新型电池有希望在很多不同的应用场景发挥非常重要的作用。

据了解,电池三要素分别是正极、负极和电解质。当负极发生氧化反应,放出电子,而在正极同时发生还原反应,接收来自负极的电子,产生了电流。因此,如果两个电极能够释放和接收较多电子时,发电效率将会提高。想要提高电池性能,就要从这三者入手。

“现在大部分的便携式电子设备,比如笔记本电脑、手机和iPad等,还有我国正在大力推广的新能源电动汽车,都离不开锂离子电池,应用非常广泛。可以说它的作用就相当于是脱离电网运行的电子、电气设备的动力‘心脏’,其重要性是不言而喻的。”金钟说。

本届诺贝尔化学奖花落锂离子电池可谓众望所归。早在20世纪70、80年代,三位获奖研究者就确立了现代锂离子电池的基本框架,20世纪90年代起,锂离子电池开始大规模进入市场,如今已几乎无处不在。

1991年,两人合作发明的锂离子电池正式上市销售,它轻巧耐用、安全可靠,在性能下降前可充放电数百次。

在远隔重洋的日本,吉野彰研发的阳极材料和古迪纳夫的阴极材料形成“天作之合”。吉野彰发现,石油焦炭可作为更好的阳极,但因找不到合适的阴极材料而苦恼。直到他读到古迪纳夫的论文,才兴奋地说“他的发现给了我所需要的一切”。至此,以钴酸锂为阴极,以碳材料为阳极的锂离子电池诞生了。

这个时候,约翰·古迪纳夫预测,如果使用金属氧化物制成电池的阴极,而不是金属硫化物,将具有更大的潜力。经过系统的搜索,他在1980年证明了嵌入锂离子的氧化钴可以产生多达4伏的电压。他使锂离子电池体积更小、容积更大、使用方式更稳定,从而实现商业化,同时也开启了电子设备便携化进程。

“可以说这三位科学家是锂离子电池领域的开拓者、先驱者,我看过他们的很多研究论文,尤其是古迪纳夫先生,他以97岁高龄获奖,却仍然是一位走在学术前沿的高产学者。我在一些国际储能学术会议上也听过他们的学术报告。”南京大学化学化工学院教授、博士生导师金钟,主要研究方向是能源转换与存储材料的结构设计、物理化学机制研究和器件应用。2008-2014年曾先后在美国莱斯大学和麻省理工学院进行博士后研究。