锂离子电池的发展赢得诺贝尔化学奖

很多时候,诺贝尔化学奖都是因为那些需要大量解释的成就,比如“有机合成中钯催化的交叉偶联”或者“泛素介导的蛋白质降解的发现”,但是今年的奖项是因为几乎所有地球人都知道的一点:“锂离子电池的发展”。

昨天宣布的这一奖项是德克萨斯大学奥斯汀分校的约翰·B·古登堡(John B.Goodenough)、纽约州立大学宾厄姆顿大学(Binghamton University)的M·斯坦利·惠廷汉(M.Stanley Whittingham)和日本明治大学(Meijo University)的秋田佳男(Akira Yoshino)三方分得的。

锂离子电池是过去几十年技术革命的基石。持久的可充电电池使手机、笔记本电脑和其他设备得以存在。他们可以扩大规模,为汽车或家庭提供动力。它们甚至被用于可再生能源。它们还可以微型化,并用于植入起搏器等设备。

“锂离子电池是化学如何改变人们生活的一个很好的例子,”美国化学学会主席邦妮·夏彭蒂埃对《纽约时报》记者克努尔·谢赫、布莱恩·陈和伊万·潘说。“很高兴看到这部作品获得诺贝尔奖的认可。”

锂离子电池是由锂离子从一种材料到另一种材料的流动提供动力的。当电池使用时,带正电的锂离子从阳极传递到阴极,在形成电流的过程中释放出一股电子流。当电池充电时,锂离子流向相反的方向,重新设置电池,使其重新充电。

根据诺贝尔奖新闻稿,电池的起源始于20世纪70年代的石油危机,由此引发的价格上涨和美国各地的汽油短缺促使人们开始研究替代能源和节能。这也促使惠廷汉研究超导体。一路上,他发现了一种富含能量的物质,叫做二硫化钛,在分子水平上有空间容纳锂离子。他发明了一种电池,其中一部分阳极是由金属锂制成的。这个想法奏效了,但惠廷汉的电池版本相当不稳定,在长期使用后有爆炸的倾向。

尽管如此,这还是比当时的酸基电池有了很大的进步。Whittingham告诉《泰晤士报》:“这项技术的最大优势是锂离子储存的能量是铅酸的10倍或镍镉的5倍。”它们也轻得多。“所以有巨大的动力转向锂离子。”

1980年,Goodenough完善了这一概念,系统地寻找二硫化钛的替代品。他发现,钴氧化物也可以做同样的工作,产生的电压高达4伏,比以前版本的电池高出一倍多。在1985年,吉野幸男将电池中的金属锂替换为石油焦和锂离子,使电池更安全。1991年,这一概念已经稳定到可以商业化的程度,索尼发布了第一款可充电锂离子电池。

从那时起,他们变得更加高效。这不是电池开发人员真正预料到的。“在我们开发电池的时候,这只是一件事,”97岁的古登堡是有史以来最年长的诺贝尔奖获得者,他告诉《卫报》的尼古拉·戴维斯和汉娜·德夫林。“我不知道电气工程师会怎么处理电池。我真的没想到会有手机、摄像机和其他东西。”

这项技术将继续为未来提供电力,对平衡可再生能源电网中的电力流动至关重要,而可再生能源电网只有在阳光明媚或刮风时才能发电。“锂离子技术令人兴奋的是,它有能力开启24-7号太阳,以真正帮助可再生能源为我们的未来提供动力,而我们直到现在还无法捕捉到这种动力,”加州太阳能和存储协会(California Solar and Storagement Association)执行董事伯纳黛特·德尔基亚罗(Bernadette del Chiaro)对《泰晤士报》表示。

虽然电池在不久的将来会继续改进和推动社会进步,但这项技术也存在一些问题。随着越来越多的电池驱动汽车和存储设备进入市场,对锂的需求正在急剧增加,而且这种需求还会继续增加。据Wired的Amit Katwala报道,在西藏和南美干旱地区开采锂是一项肮脏的行业,需要数百万加仑的水。经营不善的矿山也会污染当地的供水。钴也供不应求,在刚果盆地这样的地方开采这种金属正导致环境破坏、童工和污染。

回收电池和去除这些越来越贵的金属也是昂贵的,有时是危险的。

例如,Goodenough在2017年推出了一种新型电池,其功率是锂离子电池的三倍,充电速度更快,续航时间更长。最重要的是,它是不燃的,在固态下工作,这意味着它没有锂离子电池这样的液态元素。它还可以使用多种碱金属,包括锂,但也可以使用钠或钾,这是更便宜和更容易生产。

即使新电池确实取代了锂离子电池,毫无疑问,它对现代世界的影响是无法估量的,每天都会影响数十亿人的生活。诺贝尔奖将于12月10日阿尔弗雷德·诺贝尔逝世周年纪念日颁发。

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