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在远隔重洋的日本,吉野彰研发的阳极材料和古迪纳夫的阴极材料形成“天作之合”。吉野彰发现,石油焦炭可作为更好的阳极,但因找不到合适的阴极材料而苦恼。直到他读到古迪纳夫的论文,才兴奋地说“他的发现给了我所需要的一切”。至此,以钴酸锂为阴极,以碳材料为阳极的锂离子电池诞生了。

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。

当获奖后接受采访回答研究初衷时,吉野彰说自己完全是“好奇心驱使”,研究是一个漫长的过程,“我只不过是嗅出了潮流发展的方向,你可以说我的嗅觉很好”。

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。

1991年,两人合作发明的锂离子电池正式上市销售,它轻巧耐用、安全可靠,在性能下降前可充放电数百次。

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。”

据了解,电池三要素分别是正极、负极和电解质。当负极发生氧化反应,放出电子,而在正极同时发生还原反应,接收来自负极的电子,产生了电流。因此,如果两个电极能够释放和接收较多电子时,发电效率将会提高。想要提高电池性能,就要从这三者入手。

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。

如今,锂离子电池应用已经遍布普通人身边,但科学探索仍在继续。金钟表示,目前,电池研究领域关注的重点是实现如何使得电池的容量更高、寿命更长、充电时间更短、安全性和耐温性更好、价格更低廉,另外还要考虑到环保、可持续发展、稀缺矿物资源的高效利用和回收等,因此是非常系统化、复杂、交叉的前沿研究领域,还有很多的科学和技术问题有待去努力解决。

总之,自从1991年首次进入市场以来,锂离子电池就彻底改变了我们的生活。诺奖官网表示,“它们奠定了无线、无化石燃料社会的基础,极大地推动了人类的发展。”

未来电池寿命更长、成本更低、更安全

锂离子电池主要由阴极、阳极、电解液、隔膜、外电路等部分组成,依靠锂离子在阴阳极之间的移动产生电流。电池阴阳极材料的选择对于能效和安全性至关重要。目前最普遍的可充电锂离子电池,使用钴酸锂材料为阴极,碳材料为阳极,具有能量密度高、循环寿命长、安全可靠等优点。

1991年,两人合作发明的锂离子电池正式上市销售,它轻巧耐用、安全可靠,在性能下降前可充放电数百次。

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。

从智能手机、笔记本电脑等消费电子产品,到电动车和风能、太阳能等大型储能装置,如今锂离子电池已成为我们生活中不可或缺的“能量源”。