近(jìn)日(rì)，2019年(nián)諾貝尔化(huà)學(xué)獎頒給(gěi)了美(měi)国德州大(dà)學(xué)奧斯汀分(fēn)校(xiào)約翰·古迪纳夫、美(měi)国紐約州立大(dà)學(xué)賓漢姆分(fēn)校(xiào)斯坦利·威廷漢和(hé)日(rì)本(běn)旭化(huà)成(chéng)株(zhū)式会(huì)社吉野彰三(sān)人(rén)，以表(biǎo)彰他(tā)们对(duì)锂離子電(diàn)池研發(fà)的(de)卓越貢獻。那(nà)麼(me)，锂電(diàn)池是(shì)如(rú)何研發(fà)出(chū)来(lái)的(de)？未来(lái)的(de)發(fà)展(zhǎn)将会(huì)怎樣(yàng)？
1 沒(méi)有锂電(diàn)池就(jiù)沒(méi)有移动智能(néng)生(shēng)活
我(wǒ)们早(zǎo)已生(shēng)活在(zài)一(yī)个(gè)“可(kě)充電(diàn)的(de)世界”，但真(zhēn)正(zhèng)带来(lái)電(diàn)子設备便攜化(huà)，開(kāi)啟了現(xiàn)代(dài)移动生(shēng)活的(de)則是(shì)锂電(diàn)池。可(kě)以说(shuō)，如(rú)果沒(méi)有锂電(diàn)池，就(jiù)沒(méi)有我(wǒ)们現(xiàn)在(zài)的(de)移动智能(néng)生(shēng)活。
锂電(diàn)池因重量(liàng)輕(qīng)、可(kě)充電(diàn)、功能(néng)強(qiáng)大(dà)且(qiě)便攜，被(bèi)廣泛应用(yòng)于(yú)從手(shǒu)機(jī)到(dào)笔(bǐ)記(jì)本(běn)電(diàn)腦等各(gè)个(gè)领域。它在(zài)全(quán)球范圍內(nèi)用(yòng)于(yú)为便攜式電(diàn)子設备供電(diàn)，我(wǒ)们使用(yòng)这(zhè)些便攜式電(diàn)子設备通(tòng)訊、工作、學(xué)習和(hé)娱乐(lè)。
锂電(diàn)池還(huán)促進(jìn)了长續航電(diàn)动汽車的(de)開(kāi)發(fà)以及(jí)来(lái)自(zì)可(kě)再生(shēng)能(néng)源（例如(rú)太陽能(néng)和(hé)風(fēng)能(néng)）的(de)能(néng)量(liàng)存儲，为實(shí)現(xiàn)一(yī)个(gè)無線(xiàn)（可(kě)移动）、無化(huà)石(dàn)燃料的(de)社会(huì)打(dǎ)下基石(dàn)。可(kě)以说(shuō)，锂離子電(diàn)池作为能(néng)源存儲器件(jiàn)，徹底地(dì)改變(biàn)了人(rén)類(lèi)的(de)生(shēng)活。
此(cǐ)次(cì)諾貝尔化(huà)學(xué)獎授予三(sān)位(wèi)锂電(diàn)领域的(de)科學(xué)家(jiā)，是(shì)对(duì)每一(yī)位(wèi)为锂電(diàn)池從無到(dào)有、從實(shí)验(yàn)室(shì)走(zǒu)向(xiàng)商业化(huà)做出(chū)貢獻的(de)锂電(diàn)從业者(zhě)的(de)認可(kě)，是(shì)对(duì)仍在(zài)從事(shì)锂電(diàn)研究和(hé)志在(zài)繼續推动清(qīng)潔、便攜社会(huì)發(fà)展(zhǎn)的(de)人(rén)们的(de)激勵。
2 石(dàn)油(yóu)危機(jī)直(zhí)接促成(chéng)了锂電(diàn)池研發(fà)
20世紀70年(nián)代(dài)，石(dàn)油(yóu)危機(jī)直(zhí)接促成(chéng)了锂電(diàn)池研發(fà)。美(měi)国石(dàn)油(yóu)巨头(tóu)埃克(kè)森(sēn)公(gōng)司判斷，石(dàn)油(yóu)資源作为典型不(bù)可(kě)再生(shēng)資源，将在(zài)不(bù)久之(zhī)後(hòu)面(miàn)臨枯竭，于(yú)是(shì)組建团(tuán)隊開(kāi)發(fà)下一(yī)代(dài)替代(dài)石(dàn)化(huà)燃料的(de)能(néng)源技術(shù)。
而(ér)锂電(diàn)池就(jiù)是(shì)人(rén)们提(tí)出(chū)的(de)新(xīn)型電(diàn)池之(zhī)一(yī)。當时(shí)，供職于(yú)埃克(kè)森(sēn)公(gōng)司的(de)斯坦利·威廷漢提(tí)出(chū)了一(yī)種(zhǒng)全(quán)新(xīn)的(de)材料二(èr)硫化(huà)钛作为正(zhèng)极(jí)材料，可(kě)以在(zài)分(fēn)子层(céng)間(jiān)儲存锂離子。當其(qí)與(yǔ)金(jīn)屬锂負极(jí)匹(pǐ)配时(shí)，電(diàn)池電(diàn)壓高(gāo)达(dá)2V。
然而(ér)，由(yóu)于(yú)金(jīn)屬锂負极(jí)活性(xìng)高(gāo)，带来(lái)极(jí)大(dà)安(ān)全(quán)風(fēng)險，这(zhè)種(zhǒng)電(diàn)池並(bìng)未獲得推廣。但科學(xué)家(jiā)们並(bìng)未放(fàng)棄探索，既然问題(tí)出(chū)在(zài)電(diàn)极(jí)材料上(shàng)，或(huò)許替換電(diàn)极(jí)就(jiù)能(néng)解(jiě)決问題(tí)。
當时(shí)在(zài)英国牛津大(dà)學(xué)的(de)無機(jī)化(huà)學(xué)實(shí)验(yàn)室(shì)擔任主(zhǔ)任的(de)古迪纳夫推斷，采用(yòng)金(jīn)屬氧化(huà)物(wù)替代(dài)硫化(huà)物(wù)作为正(zhèng)极(jí)，可(kě)以實(shí)現(xiàn)更(gèng)高(gāo)電(diàn)壓，改善锂離子電(diàn)池的(de)性(xìng)能(néng)。
1980年(nián)，古迪纳夫用(yòng)钴酸(suān)锂作为電(diàn)池正(zhèng)极(jí)，可(kě)将電(diàn)池的(de)電(diàn)壓提(tí)高(gāo)到(dào)4V。钴酸(suān)锂的(de)橫空(kōng)出(chū)世是(shì)锂離子電(diàn)池领域的(de)极(jí)大(dà)突破，它至(zhì)今仍是(shì)便攜式電(diàn)池的(de)主(zhǔ)力正(zhèng)极(jí)材料。
3 上(shàng)世紀90年(nián)代(dài)出(chū)現(xiàn)首个(gè)商用(yòng)锂電(diàn)池
但受制于(yú)金(jīn)屬锂負极(jí)的(de)不(bù)穩定(dìng)特性(xìng)，當时(shí)锂離子電(diàn)池的(de)安(ān)全(quán)性(xìng)仍是(shì)嚴重的(de)问題(tí)。1985年(nián)，日(rì)本(běn)科學(xué)家(jiā)吉野彰采用(yòng)石(dàn)油(yóu)焦替換金(jīn)屬锂作为負极(jí)，用(yòng)钴酸(suān)锂作为正(zhèng)极(jí)，發(fà)明(míng)了首个(gè)可(kě)用(yòng)于(yú)商业的(de)锂離子電(diàn)池。1991年(nián)，日(rì)本(běn)索尼公(gōng)司發(fà)布(bù)了首个(gè)商用(yòng)锂離子電(diàn)池。
經(jīng)过三(sān)十多(duō)年(nián)的(de)工业化(huà)發(fà)展(zhǎn)，锂離子電(diàn)池的(de)能(néng)量(liàng)密度、成(chéng)本(běn)和(hé)安(ān)全(quán)性(xìng)取(qǔ)得了长足進(jìn)步，並(bìng)深入到(dào)我(wǒ)们生(shēng)活的(de)方(fāng)方(fāng)面(miàn)面(miàn)。
在(zài)目前(qián)廣泛使用(yòng)的(de)商用(yòng)锂電(diàn)池中(zhōng)，锂離子在(zài)以特殊层(céng)狀材料作为電(diàn)池正(zhèng)負极(jí)的(de)“主(zhǔ)人(rén)”家(jiā)里(lǐ)，随意(yì)地(dì)来(lái)回(huí)“串門(mén)”，以完成(chéng)電(diàn)池充放(fàng)電(diàn)工作。
需要(yào)指出(chū)的(de)是(shì)，虽然锂離子这(zhè)个(gè)嵌入與(yǔ)脫嵌的(de)“串門(mén)”过程，並(bìng)不(bù)影響“主(zhǔ)人(rén)”家(jiā)里(lǐ)的(de)物(wù)質(zhì)結構，但整个(gè)过程仍是(shì)化(huà)學(xué)反(fǎn)应而(ér)非物(wù)理(lǐ)反(fǎn)应。
4 锂電(diàn)池還(huán)有很大(dà)發(fà)展(zhǎn)空(kōng)間(jiān)
今年(nián)的(de)諾貝尔化(huà)學(xué)獎授予锂電(diàn)池领域，是(shì)对(duì)这(zhè)个(gè)行业巨大(dà)的(de)肯定(dìng)和(hé)激勵。锂電(diàn)池從誕生(shēng)發(fà)展(zhǎn)到(dào)应用(yòng)推廣，當下仍面(miàn)臨着诸多(duō)艱巨的(de)挑戰。
從1991年(nián)索尼公(gōng)司商业化(huà)生(shēng)産第(dì)一(yī)批锂離子電(diàn)池至(zhì)今，上(shàng)述锂離子来(lái)回(huí)“串門(mén)”的(de)“搖椅(yǐ)式電(diàn)池”成(chéng)了最(zuì)有前(qián)途和(hé)發(fà)展(zhǎn)最(zuì)快(kuài)的(de)市(shì)场(chǎng)。但受制于(yú)锂離子電(diàn)池原理(lǐ)的(de)限制，現(xiàn)有體(tǐ)系(xì)的(de)锂離子電(diàn)池能(néng)量(liàng)密度已經(jīng)從每年(nián)7%的(de)增长速率下降到(dào)2%，並(bìng)正(zhèng)在(zài)逐漸逼近(jìn)其(qí)理(lǐ)論极(jí)限。與(yǔ)之(zhī)相反(fǎn)，随着社会(huì)進(jìn)步，人(rén)们对(duì)便攜、清(qīng)潔生(shēng)活的(de)需求更(gèng)加強(qiáng)烈。
采用(yòng)更(gèng)少(shǎo)質(zhì)量(liàng)儲存更(gèng)多(duō)電(diàn)量(liàng)的(de)電(diàn)极(jí)材料，有望構築能(néng)量(liàng)密度更(gèng)高(gāo)的(de)锂離子電(diàn)池。金(jīn)屬锂的(de)比容量(liàng)高(gāo)达(dá) 3860mAh/g，是(shì)構築高(gāo)比能(néng)電(diàn)池的(de)終(zhōng)极(jí)材料。但直(zhí)接把(bǎ)金(jīn)屬锂作为電(diàn)池負极(jí)材料使用(yòng)的(de)話(huà)，始(shǐ)終(zhōng)逃不(bù)開(kāi)一(yī)个(gè)“跗骨(gǔ)之(zhī)蛆”——枝晶。面(miàn)对(duì)这(zhè)个(gè)造成(chéng)锂電(diàn)池安(ān)全(quán)隐患的(de)“大(dà)敵”，世界各(gè)国的(de)科學(xué)家(jiā)正(zhèng)在(zài)進(jìn)行不(bù)懈努力。
5 应对(duì)锂電(diàn)池安(ān)全(quán)的(de)大(dà)敵“枝晶”
我(wǒ)们都知道(dào)，電(diàn)池分(fēn)为正(zhèng)极(jí)、負极(jí)和(hé)電(diàn)解(jiě)質(zhì)，通(tòng)过氧化(huà)還(huán)原反(fǎn)应来(lái)産生(shēng)電(diàn)流，放(fàng)電(diàn)时(shí)離子從負极(jí)流向(xiàng)正(zhèng)极(jí)，充電(diàn)时(shí)從正(zhèng)极(jí)流向(xiàng)負极(jí)。
对(duì)锂電(diàn)池来(lái)说(shuō)，放(fàng)電(diàn)时(shí)锂会(huì)被(bèi)氧化(huà)成(chéng)離子進(jìn)入電(diàn)解(jiě)質(zhì)最(zuì)終(zhōng)抵达(dá)正(zhèng)极(jí)；重新(xīn)充電(diàn)时(shí)，这(zhè)些锂離子会(huì)再沉積到(dào)锂金(jīn)屬負极(jí)的(de)表(biǎo)面(miàn)。
但是(shì)这(zhè)種(zhǒng)沉積往往不(bù)均勻，随着锂電(diàn)池的(de)頻繁使用(yòng)，锂金(jīn)屬表(biǎo)面(miàn)会(huì)长出(chū)針(zhēn)狀或(huò)樹(shù)枝狀的(de)锂枝晶。枝晶生(shēng)长得过长就(jiù)会(huì)折斷，不(bù)再參與(yǔ)反(fǎn)应，給(gěi)電(diàn)池體(tǐ)系(xì)带来(lái)不(bù)可(kě)逆的(de)容量(liàng)損失；最(zuì)危險的(de)是(shì)，长大(dà)的(de)枝晶会(huì)刺破電(diàn)池正(zhèng)負极(jí)之(zhī)間(jiān)的(de)隔膜，造成(chéng)短路(lù)，埋下電(diàn)池过热(rè)自(zì)燃或(huò)爆炸的(de)安(ān)全(quán)隐患。
锂電(diàn)领域里(lǐ)，如(rú)何做到(dào)“魚與(yǔ)熊掌兼得”？如(rú)何通(tòng)过提(tí)出(chū)新(xīn)原理(lǐ)、新(xīn)體(tǐ)系(xì)、新(xīn)方(fāng)法(fǎ)，實(shí)現(xiàn)能(néng)量(liàng)密度更(gèng)高(gāo)、更(gèng)安(ān)全(quán)、充電(diàn)更(gèng)快(kuài)的(de)儲能(néng)过程？这(zhè)些都是(shì)锂電(diàn)领域未来(lái)面(miàn)臨的(de)挑戰。
在(zài)这(zhè)樣(yàng)的(de)形勢下，湧現(xiàn)出(chū)了锂硫電(diàn)池、锂空(kōng)電(diàn)池、鈉離子電(diàn)池等許多(duō)新(xīn)體(tǐ)系(xì)電(diàn)池。新(xīn)材料的(de)不(bù)斷産生(shēng)，也(yě)給(gěi)这(zhè)些新(xīn)體(tǐ)系(xì)的(de)發(fà)展(zhǎn)带来(lái)了新(xīn)機(jī)遇。
延伸閱读
我(wǒ)国锂電(diàn)研究者(zhě)正(zhèng)在(zài)開(kāi)展(zhǎn)大(dà)量(liàng)原創工作
中(zhōng)美(měi)日(rì)韓德英等国都制定(dìng)了各(gè)自(zì)的(de)電(diàn)池發(fà)展(zhǎn)戰略，以期(qī)推动電(diàn)池原理(lǐ)的(de)創新(xīn)以及(jí)核心(xīn)技術(shù)的(de)開(kāi)發(fà)，支撐當代(dài)社会(huì)的(de)可(kě)持(chí)續發(fà)展(zhǎn)。我(wǒ)国锂電(diàn)研究者(zhě)们在(zài)国家(jiā)和(hé)社会(huì)的(de)支持(chí)下，圍繞高(gāo)效能(néng)量(liàng)存儲这(zhè)个(gè)不(bù)變(biàn)的(de)“初心(xīn)”，持(chí)續開(kāi)展(zhǎn)科學(xué)研究。
目前(qián)锂電(diàn)池领域主(zhǔ)流研究方(fāng)向(xiàng)仍聚焦在(zài)尋找更(gèng)安(ān)全(quán)高(gāo)效的(de)負极(jí)材料。由(yóu)笔(bǐ)者(zhě)带领的(de)清(qīng)華大(dà)學(xué)研究团(tuán)隊從2013年(nián)開(kāi)始(shǐ)，在(zài)金(jīn)屬锂負极(jí)形核和(hé)無枝晶生(shēng)长领域開(kāi)展(zhǎn)了原創性(xìng)的(de)科學(xué)研究。
研究發(fà)現(xiàn)，在(zài)金(jīn)屬锂負极(jí)中(zhōng)添加具有親锂性(xìng)的(de)摻氮碳骨(gǔ)架，讓電(diàn)池中(zhōng)遊離的(de)锂離子在(zài)充電(diàn)初始(shǐ)，就(jiù)像小蝌蚪找媽媽一(yī)樣(yàng)，優先(xiān)奔向(xiàng)青(qīng)蛙媽媽——摻氮位(wèi)點(diǎn)，在(zài)電(diàn)池中(zhōng)形成(chéng)均勻分(fēn)布(bù)的(de)金(jīn)屬锂“小团(tuán)體(tǐ)”；在(zài)充電(diàn)过程中(zhōng)，“小蝌蚪和(hé)青(qīng)蛙媽媽”的(de)“小团(tuán)體(tǐ)”繼續“抱团(tuán)”。这(zhè)種(zhǒng)均勻沉積的(de)行为可(kě)以避開(kāi)以往形核少(shǎo)而(ér)産生(shēng)的(de)金(jīn)屬锂枝晶生(shēng)长。
基于(yú)上(shàng)述成(chéng)果的(de)論文(wén)2017年(nián)被(bèi)化(huà)學(xué)领域頂級期(qī)刊(kān)《德国应用(yòng)化(huà)學(xué)》選为封(fēng)面(miàn)，今年(nián)還(huán)入選了由(yóu)北(běi)京(jīng)市(shì)科學(xué)技術(shù)協会(huì)主(zhǔ)辦(bàn)的(de)“北(běi)京(jīng)地(dì)區(qū)廣受關(guān)注學(xué)術(shù)論文(wén)”評選活动。研究团(tuán)隊在(zài)上(shàng)述能(néng)源化(huà)學(xué)機(jī)理(lǐ)的(de)基础上(shàng)，進(jìn)一(yī)步設計(jì)了碳锂複合負极(jí)。这(zhè)些複合金(jīn)屬锂負极(jí)不(bù)僅避開(kāi)了“危險的(de)枝晶”，還(huán)表(biǎo)現(xiàn)出(chū)了優异(yì)的(de)電(diàn)化(huà)學(xué)性(xìng)能(néng)，有效提(tí)升(shēng)了金(jīn)屬锂負极(jí)的(de)利用(yòng)效率和(hé)安(ān)全(quán)性(xìng)，也(yě)为基于(yú)金(jīn)屬锂的(de)二(èr)次(cì)電(diàn)池提(tí)供了新(xīn)的(de)實(shí)用(yòng)化(huà)探索思(sī)路(lù)和(hé)更(gèng)廣闊的(de)应用(yòng)前(qián)景。
除了锂電(diàn)池之(zhī)外，采用(yòng)鈉、鉀、鋁(lǚ)、鋅等離子並(bìng)研發(fà)其(qí)能(néng)源化(huà)學(xué)新(xīn)原理(lǐ)，也(yě)有望提(tí)出(chū)具有独特性(xìng)質(zhì)的(de)新(xīn)型儲能(néng)器件(jiàn)。除電(diàn)化(huà)學(xué)儲能(néng)之(zhī)外，采用(yòng)其(qí)他(tā)能(néng)源存儲和(hé)转化(huà)方(fāng)式以及(jí)新(xīn)型能(néng)源载(zài)體(tǐ)，有望構築具有颠覆性(xìng)的(de)儲能(néng)技術(shù)，滿足未来(lái)社会(huì)对(duì)于(yú)儲能(néng)設备的(de)新(xīn)需求。
下一(yī)代(dài)解(jiě)決能(néng)源存儲與(yǔ)转化(huà)技術(shù)的(de)突破，已經(jīng)在(zài)路(lù)上(shàng)。
（作者(zhě)系(xì)清(qīng)華大(dà)學(xué)化(huà)學(xué)工程系(xì)教授、“北(běi)京(jīng)地(dì)區(qū)廣受關(guān)注學(xué)術(shù)論文(wén)系(xì)列報告会(huì)”化(huà)學(xué)學(xué)科報告人(rén)）
稿件(jiàn)来(lái)源： 北(běi)京(jīng)日(rì)報
版權说(shuō)明(míng)：
本(běn)网(wǎng)转载(zài)作品均注明(míng)出(chū)處(chù)，未注明(míng)出(chū)處(chù)和(hé)转载(zài)的(de)，是(shì)出(chū)于(yú)傳递更(gèng)多(duō)信(xìn)息之(zhī)目的(de)，並(bìng)不(bù)意(yì)味着贊同其(qí)觀點(diǎn)或(huò)證實(shí)其(qí)內(nèi)容的(de)真(zhēn)實(shí)性(xìng)。如(rú)转作品侵犯著名(míng)權，或(huò)有其(qí)他(tā)诸如(rú)版權、肖像權、知識産權等方(fāng)面(miàn)的(de)傷害，並(bìng)非本(běn)网(wǎng)故意(yì)为之(zhī)，在(zài)接到(dào)相關(guān)權利人(rén)通(tòng)知後(hòu)将立即加以更(gèng)正(zhèng)。
