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2019年
诺贝尔化学奖授予
以表彰他们
发展了锂离子电池。
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随着社会科技的发展,人们的衣食住行都离不开能源的支撑。从小如手机和笔记本电脑等物件,大到交通工具等等,都已成为人们生活中不可或缺的一部分。
原油等传统能源虽然有着高效的能量输出能力,但其对环境的不友好(如大量二氧化碳排放)等一系列缺点已经成为当今社会不能忽视的问题。而新型能源如太阳能,风能等,虽然有着巨大的潜能,但由于其使用对当时环境的依赖性较强,因此要胜任一些需要持续功能的电子设备(如汽车等)依然存在挑战。因而实现这些的一个支撑力量就要依托于电子储能设备的改进了,也就是应用于不同领域,有着不同体型的电池了。
就此,近些年来科学家对电池进行了大量的研究,例如碱性电池(比如Fe/Ni电池和Zn/Mn电池)、传统的铅酸电池、锂硫电池,以及倍受关注的锂离子电池。相比其它电池,锂离子电池之所以能受到人们的青睐,是因为其具有比能量大、工作电压高、循环寿命长、自放电低,无记忆和绿色环保等等优点,广泛应用于手机和笔记本电脑等,也是下一代充电式混合动力车和电动车的理想之选。
○ 全世界都在使用锂离子电池来为我们用于交流、工作、学习、娱乐的便携式电子设备提供能量。
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锂离子电池的基础是在20世纪70年代时的石油危机期间奠定的。当时,Stanley Whittingham致力于研发可以实现无化石燃料的能源技术。他开始研究超导体,发现了一种能量极其丰富的材料。他创造性地将这种材料制成了锂电池的正极,这种材料就是二硫化钛,在分子水平上,它有可以容纳锂离子插入的空间。
电池的负极部分是由金属锂制成的,锂在释放电子方面具有很强的动力。从而产生了一种可以超过2伏特的电池。然而,锂的问题是它是一种过于活泼的金属,用它制成的电池会非常容易爆炸,这使它在实际应用中并不可行。
○ Whittingham利用锂释放其外层电子的巨大动力开发出了第一块功能性锂电池。
John Goodenough(现年97岁)预测,如果用来制造正极的是一种金属氧化物而非金属硫化物,那么电池所具有的电动势可以更大。经过系统的研究之后,在1980年,他证明了嵌入了锂离子的氧化钴可以产生高达4伏特的电压。这是一个重大的突破,它带来了更加强大的电池。
○ Goodenough将锂电池的电动势提高了一倍,为更强大、更可用的电池创造了合适的条件。
Akira Yoshino以Goodenough所创造的正极为基础,在1985年制造出了第一个商业上可行的锂离子电池。他用在负极的不是活性锂,而是石油焦。石油焦是一种碳材料,它像正极所使用的钴氧化物一样,也能被嵌入锂离子。
○  Yoshino成功地将纯锂从电池中去除,再完全以锂离子取而代之,锂离子比纯锂更加安全,使得锂电池真正变得可用。
由此一来,一种在性能衰退之前可以充电数百次的轻便、耐磨的电池诞生了。锂离子电池的优点是,它们不依靠电极处的化学分解反应,而是基于锂离子在正极和负极之间来回流动,这可以削弱对电池的损害。
自1991年首次进入市场以来,锂离子电池已经彻底改变了我们的生活。它们为无线、无化石燃料的社会奠定了基础,为人类带来了不可估量的益处。
参考来源:
https://www.nobelprize.org
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