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锂电池是跨学科研究的重大突破

锂电池是跨学科研究的重大突破

值得一提的是,本次诺贝尔化学奖颁给锂离子电池研究,再度印证了诺贝尔奖对跨学科研究的日益重视。诺贝尔委员会在颁奖现场接受新华社记者提问时说,未来可能更多的新发现来自于多学科的研究合作,我们看到了化学和生物、物理相结合,可能还会有科学与工程、设计的结合。

诺贝尔委员会成员奥洛夫·拉姆斯特伦评价获奖成果时说:“这一神奇电池所带来的巨大的、惊人的社会影响有目共睹。”诺贝尔委员会还说,获奖研究有助于我们从由化石燃料驱动的生活方式转向由电能驱动的生活方式,对于应对气候变化也至关重要。

现代快报讯(记者 舒越 蔡梦莹)人们手中的每一部手机,桌面上每一台笔记本电脑,街头巷尾的电动汽车……它们的动力“心脏”来源于上世纪70年代开始的一项技术——锂离子电池。北京时间10月9日下午,瑞典皇家科学院宣布,将2019年诺贝尔化学奖授予来自美国的科学家约翰·古迪纳夫、斯坦利·惠廷厄姆和日本科学家吉野彰,以表彰他们在锂离子电池研发领域作出的贡献。

最年长获奖者,97岁科学家创纪录

“这三位科学家的研究,从提出锂离子电池的原型概念开始,到实用化电极材料的筛选优化,再到锂离子电池在商业化初期的构架和工艺设计,实现了从基础研究到大规模应用的重要突破,获奖是实至名归的,也是大家期待已久的。”金钟告诉记者,他们对锂离子电池的科学原理的研究,具有很重要的学术价值,对现在研发新型电池仍有非常重要的指导作用。

在20世纪70年代,世界范围内爆发了石油危机,能源研究开始兴起。此时斯坦利·惠廷厄姆正在研究无化石燃料的能源技术。他和同事发现了锂离子可以在电极间来回穿梭,具备了充电能力,并能在室温下工作。在研究超导体时,他发现了一种能量极其丰富的材料,由二硫化钛制成,在分子水平上具有可以容纳(嵌入)锂离子的空间。他将这种材料放在锂离子电池的阴极,阳极部分则由金属锂制成,成功研制出了锂离子电池。可是,金属锂具有强烈的反应性,电池很容易爆炸,无法使用。

“现在大部分的便携式电子设备,比如笔记本电脑、手机和iPad等,还有我国正在大力推广的新能源电动汽车,都离不开锂离子电池,应用非常广泛。可以说它的作用就相当于是脱离电网运行的电子、电气设备的动力‘心脏’,其重要性是不言而喻的。”金钟说。

2019年度诺贝尔化学奖将荣誉颁给锂离子电池的研发。这种重量轻、可充电、功能强大的电池被广泛应用于从手机到笔记本电脑和电动汽车等各个领域。来自美国和日本的三位科学家因在锂离子电池研发领域的贡献,共享今年的诺贝尔化学奖。其中,约翰·古迪纳夫出生于1922年,今年97岁高龄的他被誉为“锂离子电池之父”,他也是诺奖最年长的获奖者。

未来电池寿命更长、成本更低、更安全

另外,这项研究是物理、化学、能源和材料等领域跨学科的重大突破,最难攻克的要点在于,既要使电池能够长久稳定地可逆充放电,提供较大的容量,又要保障较好的安全性,是非常难的课题。“实现这个目标,不但需要研究锂离子迁移和嵌入脱出的原理和局限,还要对正极、负极、电解质、隔膜、集流体、外壳等关键部件材料实现全面的优化匹配,因此是非常复杂、精妙的系统工程。”

南京大学化学化工学院教授吴强也在开展锂离子电池的相关研究。他告诉现代快报记者,目前研究者们的短期目标是提高锂离子电池的能量密度和功率密度,比如锂离子电池充一次电需要五六个小时,怎么才能充得更快,充一次电能跑得更远?更长期的研究目标在于延长锂离子电池的寿命、降低锂离子电池的成本,提高锂离子电池的安全性这三个方面。现在的锂离子电池充放电几百次可能就不能用了,如果能够充放电几千次上万次,就可以大大降低成本。因为锂资源比较稀缺,研究者们正在探索用钠离子、钾离子等更经济的金属离子取代锂离子,降低成本。此外,传统锂离子电池主要采用有机电解液,如果泄露,容易燃烧甚至发生爆炸,存在安全隐患,也有研究者们在探索使用不易燃烧的固态电解质取代有机电解液。

20世纪70年代的石油危机催生了对新能源储能的需求,也推动了电池研发,为未来锂离子电池打下基础。当时正致力于超导体研发的惠廷厄姆创新地使用二硫化钛作为阴极材料存储锂离子,以金属锂作为部分阳极材料,制成了首个新型电池。但由于金属锂化学特性过于活泼,这种电池具有易爆炸的潜在危险。

“可以说这三位科学家是锂离子电池领域的开拓者、先驱者,我看过他们的很多研究论文,尤其是古迪纳夫先生,他以97岁高龄获奖,却仍然是一位走在学术前沿的高产学者。我在一些国际储能学术会议上也听过他们的学术报告。”南京大学化学化工学院教授、博士生导师金钟,主要研究方向是能源转换与存储材料的结构设计、物理化学机制研究和器件应用。2008-2014年曾先后在美国莱斯大学和麻省理工学院进行博士后研究。