为什么锂离子电池刚刚获得诺贝尔化学奖?

John Goodenough, Akira Yoshino和Stanley Whittingham获得2019年诺贝尔化学奖今天“为锂离子电池的发展”。那么什么是锂离子电池呢?它们是如何工作的?为什么它们如此重要?

他们为什么会获得诺贝尔奖?

古迪纳夫、吉野和惠廷汉姆是锂离子电池的先驱。正如诺贝尔委员会在宣布该奖项时所解释的那样，他们开发的技术是“我们新的可充电世界”的基础。锂离子电池重量轻，能量密度高，可以充电并重复使用数千次。这使得它们成为许多现代便携式电子设备的理想电源，包括起搏器、笔记本电脑、手机和电动汽车。它们还可以更大规模地用于储存风能和太阳能等可再生能源产生的能量，有助于减少我们对化石燃料的依赖。

锂离子电池究竟是如何工作的?

与所有电池一样，锂离子电池的工作原理是产生从阳极流向阴极的电子电流。这意味着一个好的负极材料是一个很容易释放电子的材料——在所有的元素中，锂是最好的。

在现代电池中，正极和负极都是由层状材料制成的，可以在层间的间隙中存储(插入)锂离子。当电池使用时，电子通过外部电路从阳极移动到阴极，产生为电池连接的任何设备供电所需的电流。与此同时，正锂离子通过电解质从阳极到阴极，在那里它们再次被存储。当电池充电时，电子和锂离子会回流到阳极，发生相反的过程。

这种方法的一个主要优点是，电池通过在充放电循环中来回穿梭锂离子来有效地运行，而不依赖于会逐渐破坏电极的反应——这意味着它们可以一次又一次地充电和充电。但最早的锂电池必须克服几个技术和化学挑战，最终才有了现在无处不在的锂离子电池。

新的诺贝尔奖得主做了什么?

在20世纪70年代初，惠廷汉姆首次利用锂的潜力作为负极材料，生产出第一个可用的锂电池。这些电池使用二硫化钛作为阴极的层状材料。然而，阳极是由金属锂制成的，在使用过程中，锂的卷须从阳极长出来，最终到达阴极，对设备造成灾难性的后果，因此很容易短路。这些故障可能导致火灾甚至爆炸。

根据惠廷汉姆的想法，古迪纳夫致力于寻找一种更好的阴极材料，具有更高的电位，从而生产出更强大的电池。他还意识到，电池并不一定要在充电状态下制造，而是可以在充电后进行。李，这帮助他发现了一种新的阴极材料_x首席运营官₂这使得电池的电压增加了一倍，使其在实际应用中更加实用。事实上，当电池最终商业化时，它们使用的钴氧化物材料几乎与古迪纳夫开发的完全相同。

但在此之前，金属阳极的问题仍然需要解决。1986年，吉野在阳极中使用了一种基于石油焦的碳质材料。他开发的电池容量很大，而且非常稳定——它可以在性能恶化之前充电数百次。这是第一次制造出适合商业用途的锂离子电池。

为什么锂离子电池如此重要?

这不仅仅是一些简单的化学反应，许多人认为这是一项技术，是缓解气候变化和取代化石燃料的关键。对这些电池中使用的材料的需求不断增加，甚至处于地缘政治风暴．

随着电动汽车行业的发展，大量投资正涌入电池技术领域——公司希望制造出更强大、更安全、更轻量的储能材料。这些电池的发展对便携式电子产品的小型化至关重要——以至于我们很少有人出门时口袋里不随身携带一个——甚至可能彻底改变我们为家庭供电的方式。

但是锂离子电池已经存在了很长时间了——为什么现在他们获胜了呢?

人们已经呼吁锂离子电池的开发者多年来被授予诺贝尔奖——古迪纳夫的名字经常出现出现在诺贝尔奖预测中．他现在已经成为有史以来最年长的诺贝尔奖得主。考虑到技术根源在于石油危机在20世纪70年代，人们已经为这部电影等待了很长时间。随着锂离子电池的广泛应用和这种革命性的技术，它肯定是一个受欢迎的选择。

接下来我们能期待什么?

电池行业面临的主要挑战包括能源输出、安全性和可持续性。

电池研究人员开始考虑用其他金属取代锂——钠离子电池可能会带来一个更可持续的未来。但到目前为止，这些电池还无法与锂基电池的性能相匹敌。

另一个关键挑战是找到电池电极的替代材料钴的价格大幅飙升近年来，由于它被用于电池。这种金属的开采也与童工、奴隶制和世界不稳定地区的冲突有关。然而，钴只分布在少数几个国家，其中刚果民主共和国的钴产量占全球供应量的三分之二。

替代液体电解质是电池研究人员非常关注的另一个领域。这些电解质一直是手机电池起火和飞机停飞等争议的焦点。可能的解决方案包括固体电解质，甚至加入灭火化学品进入电池的外壳。

锂空气电池是另一项很有前途的技术，理论上的能量输出是传统锂离子电池的几倍。