镍镉电池充电电压 2019 年诺贝尔化学奖授予锂离子电池领域贡献者，锂元素的发现历程

镍镉电池充电电压 2019 年诺贝尔化学奖授予锂离子电池领域贡献者，锂元素的发现历程

一种元素在学术舞台上占据核心地位的情况并不多见，但2019年诺贝尔化学奖的主角却是一种源自大爆炸的古老化学元素——锂。

10月9日，瑞典皇家科学院宣布，将2019年诺贝尔化学奖授予约翰·B·古迪纳夫、斯坦利·M·惠廷汉姆和吉野彰，以表彰他们在锂离子电池领域做出的贡献。

锂电池的故事始于锂的发现

1817年，瑞典化学家约翰·雅各布和永斯·雅各布首次从瑞典一个小岛上的矿石样本中提取出锂，并以希腊语中“石头、鹅卵石”的意思命名。

虽然名字听起来很重，但锂实际上是最轻的固体元素——这也许就是为什么有时我们不会注意到随身携带的手机的原因。

更确切地说，瑞典化学家实际上并没有发现纯金属锂，而是发现盐形式的锂离子。纯锂是一种非常不稳定的元素，必须储存在油中以防止其与空气发生反应。

锂的弱点是反应性，但这也是它的优点。

当他在 20 世纪 70 年代初开发出第一个功能性锂电池时，他利用了锂的巨大驱动力来释放其外层电子。

1980年，约翰将电池的潜力提高了一倍，为生产出更强大、更实用的电池创造了条件。

1985年，Akira成功将纯锂从电池中去除，采用比纯锂更安全的锂离子作为材料。

这一尝试将电池带入了人们的实际生活。锂离子电池给人类带来了许多好处。它们使笔记本电脑、手机、电动汽车的发展以及太阳能和风能的储存成为可能。

将锂引入电池

20世纪中叶，全球道路上的汽车数量不断增加，汽车尾气进一步加剧了大城市的空气污染。与此同时，人们越来越意识到石油资源的有限性，这让汽车制造商和石油公司敲响了警钟，为了生存，他们纷纷计划投资电动汽车和替代能源。

然而，无论是电动汽车还是替代能源，都需要能够储存大量能量的强大电池。当时，市场上只有两种类型的可充电电池——重型铅电池和镍镉电池。

正是他将金属锂引入电池，使其成为这个故事的主角，他用锂作为新电池的负极。

锂并不是随机选择的；在电池中，电子应该从负极（阳极）流向正极（阴极）。因此，负极应该含有容易释放电子的材料，而锂是所有元素中最容易释放电子的材料。

在他的实验创造出一种在室温下工作且具有巨大潜力的可充电锂电池之后，他去了这家公司，经过大约十五分钟的会议后，埃克森美孚管理团队决定利用他的发现来开发一种具有商业可行性的电池。

第一批可充电电池的电极中含有固体材料，当这些固体材料与电解质发生化学反应时会损坏电池。

石油危机引发对电池的兴趣

约翰小时候阅读障碍严重，这让他对数学和物理产生了浓厚的兴趣。和 20 世纪 70 年代的许多人一样，他感受到了石油危机的影响，希望为替代能源的发展做出贡献，因此进入了能源研究领域。

但他对物质内部运作的了解告诉他，如果使用金属氧化物代替金属硫化物来制作正极，电池的潜力会更大。

他的团队开始寻找一种金属氧化物，当锂离子嵌入其中时，这种氧化物可以产生高电压，但当锂离子被移除时，这种氧化物不会分解。

这次系统性研究比预想的要成功很多，采用钴酸锂作为正极材料，电池的输出电压接近4伏。

1980年，他发表了一篇论文介绍了这种新型正极材料，这种材料重量轻，却可以生产出功能强大、容量高的电池。

开始在锂电池正极中使用钴酸锂。这使电池的电位加倍，功率也更大。

吉野彰发明出首个可商业化的锂离子电池

吉野彰最初以1.5千瓦时电池为基础，采用钴酸锂作为电池正极，并尝试了各种碳基材料作为负极，后来又将石油工业的副产品石油焦用作负极，结果发现他研制的电池更稳定、重量轻、容量大，显然能产生4伏电压。

这种电池的工作原理不是基于任何有害的化学反应，而是依靠锂离子在电极之间来回流动。它的使用寿命很长，在性能恶化之前可以充电数百次。另一大优点是这种电池不使用纯锂，从而确保了安全性。

吉野彰开发出第一个可商业化的锂离子电池。

1991 年，第一批锂离子电池上市销售，引发了一场电子革命：手机变得更小，电脑变得更便携，MP3 播放器和平板电脑也得到了开发。

近年来，世界各地的研究人员一直在寻找更好的电池，但尚未有人成功制造出能够超越锂离子电池的高容量、高电压电池。

与此同时，锂离子电池也得到了​​改进，例如约翰用磷酸铁代替了钴酸锂，使得电池更加环保。