電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
10月9日，2019年諾貝爾化學獎揭曉，共有三位，分別是97歲的約翰·古德伊納夫(JohnB.Goodenough)，現任德克薩斯大學奧斯汀分校工程學教授；77歲的斯坦利·惠廷漢姆(M.StanleyWhittingham)，紐約州立大學賓厄姆頓分校的化學教授；71歲的吉野彰（AkiraYoshino），是日本旭化成公司的研究員，京都大學特命教授。他們的獲獎理由是：在發明鋰離子電池的過程中所做的貢獻。
組委會表示，“鋰電池已經徹底改變了我們的生活，被用于從手機到筆記本電腦再到電動車的所有范疇。他們三位的付出為一個無線（可移動），無化石燃料的社會奠定了基礎。”
上世紀70年代的石油危機筆直促成了鋰離子電池研發的開端。石油巨頭埃克森公司（Exxon）判斷石油資源作為不可再生資源將會在不久以后面臨枯竭，于是組建了研究團隊開發下一代無化石燃料能源技術。
這個時候，超導體研究被提上日程，斯坦利·惠廷漢姆說是鋰電池最早的“開拓者”，他把二硫化鈦、金屬鋰運用到鋰離子電池的正負極材料中，鋰離子電池具有重量輕、容量大、無記憶效應等優勢，充電時，鋰離子從正極移動到負極，放電則回到正極，能夠釋放剛剛超過2伏的電壓。
1976年，埃克森申請了世界上第一個鋰離子電池的發明專利，然而這家公司并沒有將技術轉化為產業價值。
當時的鋰離子電池存在一定缺陷，作為負極材料的金屬鋰會和有機電解液發生反應，負極材料逐漸粉末化直至最終失去活性，同時在充放電過程中長出鋰枝晶，從而有可能刺穿隔膜導致電池發生短路甚至燃燒爆炸，無法商用。
爆炸問題在當時引起了約翰·古德伊納夫的關注。他是美國固體物理學家，也是鋰離子電池產業的緊要學者，被形容為“為鋰離子電池而生”的科學家。1980年，約翰·古德伊納夫用鈷氧化物將鋰離子電池的電位提高到了4伏。用鈷酸鋰做正極的電池讓當時的電池技術向前邁出了一大步。
約翰·古德伊納夫作為“半路出家”的電化學家最先開發的是鈉硫電池，后來他發現了鈷酸鋰和磷酸鐵鋰兩種電極材料，如今，他也被認為是固態化學和物理學范疇的巨人。約翰·古德伊納夫多年來一直陪跑諾獎，外界戲稱其為化學界的“村上春樹”，但今朝，他終于成為有史以來諾貝爾獎年齡最大的獲得者，超過了去年96歲的諾貝爾物理學獎獲得者。
約翰·古德伊納夫為人類社會帶來了鋰離子電池，但是如今對于鋰離子電池能量密度的提升卻有著急切需求，尤其是在全球都在大力發展新能源汽車之時，提高電池能量密度就意味著同樣體積的電池能夠驅動車輛跑得更遠，這會讓更多人接受新能源汽車。
在約翰·古德伊納夫苦心鉆研鈷酸鋰之際，吉野彰也發揮了自身的作用。他從約翰·古德伊納夫的一篇論文中得到了啟示，找到了適宜的負極材料——用碳材料代理金屬鋰，像正極的氧化鈷一樣，可以嵌入鋰離子。在充放電的過程沒有金屬鋰的存在，惟有鋰離子，這也確立了鋰電池的基本概念。
1985年，吉野彰發明了首個可用于商業的鋰電池。鋰電池的優勢在于不是基于分析電極的化學反應，而是基于鋰離子在負極和正極之間來回流動。為了提高性能，吉野彰對電池進行了多次改良，促使鋰電池輕量化，更安全，終于將其推向商業化的道路，可以說吉野彰對于鋰電池的現代化發展功不可沒。
約翰·古德伊納夫和吉野彰的“合力”也讓試驗室里的技術走向商業化。1991年索尼發布首個商用鋰電池。直到如今，生活中可見的便攜式設備主要是用此類鈷酸鋰離子電池。科學遠遠沒有停滯于此，為了找到比鈷便宜的替代金屬，以及更利于鋰離子高效運動的結構，錳酸鋰，磷酸鐵鋰相繼被使用于鋰電池中。
如果說斯坦利·惠廷漢姆是鋰離子電池的開創者，約翰·古德伊納夫是掃清了鋰離子電池技術前進最大的路障，吉野彰則推了最后一把力，讓鋰電池“革新”了電子設備。
諾貝爾組委會給予了三位獲獎者很高的評價，鋰電池不僅讓世界動起來成為可能，更有意義的是讓我們能夠不完全依靠石油燃料，生活在一個可繼續發展的世界中。
電池為手機、筆記本電腦、電動車和無數其他現代生活設備提供了動力，并可能成為綠色將來的基礎。吉野彰直言：“為知道決氣候變化問題，我們非得建立一個可再生能源發電的社會。”
的確，利用電池儲存來自風能和太陽能等可再生能源的電力為遏制全球變暖開辟了新的可能性。這或許也是諾貝爾化學獎被授予這三位科學家的內在而深遠的意義。
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