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今年的诺贝尔化学奖,颁给了一个老年天团——97岁的约翰·古迪纳夫、78岁的斯坦利·惠廷厄姆和71岁的吉野彰。没有他们,就没有为手机、平板电脑、电动车等续命的能源神器——锂电池。
小小一块看似平平无奇的电池,凭什么拿走900万克朗的奖金?三位老人家为它的诞生各做了哪些贡献?
我们先从电池的工作原理讲起。
电池怎么工作
大家知道,物质由原子组成。而原子又由带正电的原子核和带负电的电子组成。有些物质的原子核实力弱,身边围绕的电子就少,比如氢,只有一个电子。有些物质的原子核实力爆棚,身边围了一堆电子,一圈塞不下,还得分几圈塞。这些圈叫电子层。最外圈电子层最多能塞8个电子(如果只有一圈电子层,则只能塞2个)。
电子们天生喜欢热闹扎堆。如果最外圈电子层只有一个电子,那么孤独寂寞的它就总想跑路找伴儿去;而最外圈电子层有六七个电子的话,就会希望多拉些伙伴进群,把空位填满。
早在18世纪,电学大咖们就利用电子的这一特性发明了电池。简单来说,就是在电解质中插两块不同的金属片,负极的金属容易丢失电子,正极则是捕获电子的高手;当正负两极连通后,电子们组团从负极跑到正极,就产生了电流。
不过呢,传统的干电池有两大缺点。一是会用到许多有毒的重金属,对环境很不友好;二是重金属嘛,自然很重(对此家有电动车的读者一定深有体会)。所以贪心,哦不,是永不满足的人就开始思考:能不能发明一种轻巧、环保、能量充足、耐力还好的电池?
这下,锂电池迎来了属于它的时代。
研发第一关:选材
闯关者:斯坦利·惠廷厄姆
锂是一种历史悠久的金属,在宇宙大爆炸之初便产生了。但人类直到1817年,才意识到它的存在。
“锂”这个名字源自希腊语中“石头”一词。别看词源很有分量,锂却是最轻的固体金属。锂原子一共只有3个电子,两圈电子层,即最外层只有一个电子,非常容易被“拐跑”,实在太适合做电池了对不对?而且锂没有毒性,对环境相当友好。
锂电池的研发,始于上世纪的石油危机。其实汽车刚出现时,电动车也曾领一时风骚,但最终被汽油车淘汰。直到1970年代,石油供给短缺,电动汽车才重回人们视野,为电动汽车供电的新型电池自然也成了研究热点。斯坦利·惠廷厄姆老爷子正是电池研发大军中的一员。
惠老爷子发现,如果往二硫化钽内部插入钾离子,会显著影响二硫化钽的导电性,两者的相互作用富含能量。科学家的敏锐让他意识到,这项技术可以用于电动汽车的储能。由于钽还比较重,老爷子又用重量轻但性质相近的钛代替钽,即以二硫化钛作为新型电池的正极材料。至于负极材料,当然是具有前述优点的锂毫无悬念地当选。
就这样,最初的锂电池诞生了!
研发第二关:安全
闖关者:约翰·古迪纳夫
惠大爷带着锂电池,在历史舞台上C位出道了。闪亮登场的锂电池立即引发了爆炸的轰动——呃,不是比喻,是真的爆炸了!
这是因为,金属锂实在太活泼了:易燃,易氧化,甚至跟超级不爱掺和化学反应的氮气都能发生反应。所以生产组装中稍有不慎,一旦泄进空气,锂电池轻则报废,重则“砰”——起火爆炸。
而在肉眼看不到的地方,还有更大的隐患:电池反复充电,会让锂金属表面形成一些“小毛刺”,叫做枝晶。枝晶越长越大,最终会刺破电池正负极之间的隔膜,造成短路,引起电池自燃,“砰”——爆炸。
虽然惠大爷向锂金属中加入铝,并调整了电解质成分,使锂电池稳定了些,但还不够。
这时就轮到“足够好”老爷爷——约翰·古迪纳夫出手了。
“足够好”爷爷堪称大器晚成和跨界混搭的典范。他小时候有阅读障碍,所以文科不好,于是就读了数学专业;二战退伍后,他被政府送去学物理;54岁时他又跑到牛津教化学,并于四年后找到了能大大改进锂电池性能的神奇材料——钴酸锂。
花絮链接
在牛津,“足够好”老爷子以严厉而著称。据说他教的某门课第一堂来了165个学生,而到第二堂时只剩8个,因为其他人都被吓跑了。
钴酸锂可以取代金属锂,为电池提供锂离子。而且这种氧化物可以拔高电池的使用电压,能量密度更大。更重要的是,相对于疯牛一样活跃的金属锂,钴酸锂乖得很,对空气什么的毫不感冒。至于枝晶问题,在钴酸锂中也得到了改善。简直不要太完美!
不过老爷爷还不满足,觉得钴酸锂的结构仍不够稳定,而且钴的产地少,成本太高。于是在75岁那年,他又推出了磷酸铁锂作为锂电池的正极。这是后话。
研发第三关:耐用
闯关者:吉野彰
“足够好”爷爷升级了锂电池的正极,负极的优化则由日本大爷吉野彰完成。
当吉大爷还不是吉大爷、而是吉小学生时,他的班主任给他推荐了一本科普书,书里有趣的化学知识,比如“蜡烛为何会燃烧”“蜡烛火焰为何变黄”等,立刻迷住了他。
吉大爷大学毕业时,正值日本电子产业飞速发展的黄金时代。便携电子产品如随身听、红白机等风靡世界,日本国内研发轻巧耐用的电池的热情也随之高涨。所以他的成功可谓是时势造英雄。
吉大爷的贡献在于,既然金属锂太危险,而钴酸锂又可以提供锂离子,那干脆一了百了,负极也不用金属锂好了,改用石油焦。这是一种碳材料,它跟正极的钴酸锂一样,可将锂离子插入其中。这样一来,电池工作时不再发生分解电极的化学反应,只是让锂离子在两极间跑来跑去就能产生电流,因此这种锂离子电池非常耐用,可反复充电数百次。而且由于完全没有了金属锂,电池的安全系数也大幅提升。
至此,锂电池终于具备了商业化的条件。从那以后,30多年来,锂电池的基本架构就再也没有太大的改动。
当然,“贪心”的人类永远不会满足于既得的成果。97岁的“足够好”爷爷已开始着手研制新的超级电池;被“足够好”爷爷当成儿子一样疼爱的吉大爷也表示向他学习,“只要还活着就要继续研究”。到明年,锂电池的能量密度有望得到更大提升,那时,屏幕更大却又更轻更薄的手机,也不用担心续航问题了。
小小一块看似平平无奇的电池,凭什么拿走900万克朗的奖金?三位老人家为它的诞生各做了哪些贡献?
我们先从电池的工作原理讲起。
电池怎么工作
大家知道,物质由原子组成。而原子又由带正电的原子核和带负电的电子组成。有些物质的原子核实力弱,身边围绕的电子就少,比如氢,只有一个电子。有些物质的原子核实力爆棚,身边围了一堆电子,一圈塞不下,还得分几圈塞。这些圈叫电子层。最外圈电子层最多能塞8个电子(如果只有一圈电子层,则只能塞2个)。
电子们天生喜欢热闹扎堆。如果最外圈电子层只有一个电子,那么孤独寂寞的它就总想跑路找伴儿去;而最外圈电子层有六七个电子的话,就会希望多拉些伙伴进群,把空位填满。
早在18世纪,电学大咖们就利用电子的这一特性发明了电池。简单来说,就是在电解质中插两块不同的金属片,负极的金属容易丢失电子,正极则是捕获电子的高手;当正负两极连通后,电子们组团从负极跑到正极,就产生了电流。
不过呢,传统的干电池有两大缺点。一是会用到许多有毒的重金属,对环境很不友好;二是重金属嘛,自然很重(对此家有电动车的读者一定深有体会)。所以贪心,哦不,是永不满足的人就开始思考:能不能发明一种轻巧、环保、能量充足、耐力还好的电池?
这下,锂电池迎来了属于它的时代。
研发第一关:选材
闯关者:斯坦利·惠廷厄姆
锂是一种历史悠久的金属,在宇宙大爆炸之初便产生了。但人类直到1817年,才意识到它的存在。
“锂”这个名字源自希腊语中“石头”一词。别看词源很有分量,锂却是最轻的固体金属。锂原子一共只有3个电子,两圈电子层,即最外层只有一个电子,非常容易被“拐跑”,实在太适合做电池了对不对?而且锂没有毒性,对环境相当友好。
锂电池的研发,始于上世纪的石油危机。其实汽车刚出现时,电动车也曾领一时风骚,但最终被汽油车淘汰。直到1970年代,石油供给短缺,电动汽车才重回人们视野,为电动汽车供电的新型电池自然也成了研究热点。斯坦利·惠廷厄姆老爷子正是电池研发大军中的一员。
惠老爷子发现,如果往二硫化钽内部插入钾离子,会显著影响二硫化钽的导电性,两者的相互作用富含能量。科学家的敏锐让他意识到,这项技术可以用于电动汽车的储能。由于钽还比较重,老爷子又用重量轻但性质相近的钛代替钽,即以二硫化钛作为新型电池的正极材料。至于负极材料,当然是具有前述优点的锂毫无悬念地当选。
就这样,最初的锂电池诞生了!
研发第二关:安全
闖关者:约翰·古迪纳夫
惠大爷带着锂电池,在历史舞台上C位出道了。闪亮登场的锂电池立即引发了爆炸的轰动——呃,不是比喻,是真的爆炸了!
这是因为,金属锂实在太活泼了:易燃,易氧化,甚至跟超级不爱掺和化学反应的氮气都能发生反应。所以生产组装中稍有不慎,一旦泄进空气,锂电池轻则报废,重则“砰”——起火爆炸。
而在肉眼看不到的地方,还有更大的隐患:电池反复充电,会让锂金属表面形成一些“小毛刺”,叫做枝晶。枝晶越长越大,最终会刺破电池正负极之间的隔膜,造成短路,引起电池自燃,“砰”——爆炸。
虽然惠大爷向锂金属中加入铝,并调整了电解质成分,使锂电池稳定了些,但还不够。
这时就轮到“足够好”老爷爷——约翰·古迪纳夫出手了。
“足够好”爷爷堪称大器晚成和跨界混搭的典范。他小时候有阅读障碍,所以文科不好,于是就读了数学专业;二战退伍后,他被政府送去学物理;54岁时他又跑到牛津教化学,并于四年后找到了能大大改进锂电池性能的神奇材料——钴酸锂。
花絮链接
在牛津,“足够好”老爷子以严厉而著称。据说他教的某门课第一堂来了165个学生,而到第二堂时只剩8个,因为其他人都被吓跑了。
钴酸锂可以取代金属锂,为电池提供锂离子。而且这种氧化物可以拔高电池的使用电压,能量密度更大。更重要的是,相对于疯牛一样活跃的金属锂,钴酸锂乖得很,对空气什么的毫不感冒。至于枝晶问题,在钴酸锂中也得到了改善。简直不要太完美!
不过老爷爷还不满足,觉得钴酸锂的结构仍不够稳定,而且钴的产地少,成本太高。于是在75岁那年,他又推出了磷酸铁锂作为锂电池的正极。这是后话。
研发第三关:耐用
闯关者:吉野彰
“足够好”爷爷升级了锂电池的正极,负极的优化则由日本大爷吉野彰完成。
当吉大爷还不是吉大爷、而是吉小学生时,他的班主任给他推荐了一本科普书,书里有趣的化学知识,比如“蜡烛为何会燃烧”“蜡烛火焰为何变黄”等,立刻迷住了他。
吉大爷大学毕业时,正值日本电子产业飞速发展的黄金时代。便携电子产品如随身听、红白机等风靡世界,日本国内研发轻巧耐用的电池的热情也随之高涨。所以他的成功可谓是时势造英雄。
吉大爷的贡献在于,既然金属锂太危险,而钴酸锂又可以提供锂离子,那干脆一了百了,负极也不用金属锂好了,改用石油焦。这是一种碳材料,它跟正极的钴酸锂一样,可将锂离子插入其中。这样一来,电池工作时不再发生分解电极的化学反应,只是让锂离子在两极间跑来跑去就能产生电流,因此这种锂离子电池非常耐用,可反复充电数百次。而且由于完全没有了金属锂,电池的安全系数也大幅提升。
至此,锂电池终于具备了商业化的条件。从那以后,30多年来,锂电池的基本架构就再也没有太大的改动。
当然,“贪心”的人类永远不会满足于既得的成果。97岁的“足够好”爷爷已开始着手研制新的超级电池;被“足够好”爷爷当成儿子一样疼爱的吉大爷也表示向他学习,“只要还活着就要继续研究”。到明年,锂电池的能量密度有望得到更大提升,那时,屏幕更大却又更轻更薄的手机,也不用担心续航问题了。