鉅大LARGE | 點擊量：1271次 | 2020年07月26日
鋰離子電池之后會是什么？
剛剛過去的一星期可以稱之為“諾貝爾獎周”，諾獎有關(guān)的信息排山倒海而來，占據(jù)了大小屏幕和人們注意力的中心。
小銳特別想和大家聊聊化學(xué)獎，因為如果沒有3位獲獎的老爺爺貢獻的鋰離子電池技術(shù)，我們今天就不可能生活在擁有小巧輕便的手機、平板電腦以及各種電動車、無人機的世界了。
2019年10月9日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2019年諾貝爾化學(xué)獎授予約翰·B·古迪納夫、M·斯坦利·威廷漢、吉野彰3位科學(xué)家，表彰他們“創(chuàng)造了一個可充電的世界”。
他們開發(fā)的鋰離子電池究竟對世界有何貢獻，未來發(fā)展前景又如何呢？
充電技術(shù)塑造現(xiàn)代化生活
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
上世紀(jì)70年代，石油危機促使科學(xué)家加緊研究，以擺脫對化石燃料的依賴，鋰電池應(yīng)運而生。
此后，隨著對移動設(shè)備的需求迅速提高，“便攜式”、“無繩”和“無線”等術(shù)語被頻繁使用，迫切需要開發(fā)具有高能量密度和可充電性的二次電池，以減小移動設(shè)備的體積和重量。
80年代，首個鋰離子電池問世，之后不斷進化，奠定了當(dāng)今社會的科技基礎(chǔ)。
首先，斯坦利·威廷漢用二硫化鈦作為正極、金屬鋰作為負極制成了鋰離子電池，但因金屬鋰活性太強，電池極易爆炸。
隨后，約翰·古迪納夫利用嵌入鋰離子的氧化鈷制成正極，獲得了更大的電流強度和穩(wěn)定性。
最后，吉野彰在古迪納夫鈷酸鋰正極的基礎(chǔ)上，用石墨作為負極，于1985年開發(fā)出第一個商用鋰離子電池。這種電池中，鋰離子可以在正負極之間來回流動，產(chǎn)生電流。
鋰離子電池的實際應(yīng)用極大促進了各種設(shè)備的小型化，混合動力汽車和電動汽車取代汽油車，不僅可以有效減少碳排放，控制溫室效應(yīng)，還可以在災(zāi)害導(dǎo)致停電的情況下用作應(yīng)急電源，前景廣闊。
鋰離子電池接近理論極限
然而，雖然鋰離子電池的性能已極大改善，但如果要將鋰離子電池用于汽車甚至飛機，還需要進一步降低成本和提升安全性。
目前，電動汽車一次充電續(xù)航里程已超過400公里。但在實際使用環(huán)境下，往往達不到理論里程，而且隨著使用次數(shù)增加，鋰離子電池還會出現(xiàn)老化。
如果簡單增加鋰離子電池的數(shù)量來延長續(xù)航里程，將增加重量、油耗和電池成本。
現(xiàn)有的鋰離子電池開發(fā)已接近理論極限，難以進一步提高性能并延長電池壽命，必須著眼未來，開發(fā)能夠取代鋰離子電池的新型蓄電池。
鋰空氣電池呼之欲出
鋰空氣電池是一種利用空氣中氧氣進行化學(xué)反應(yīng)以產(chǎn)生電能的新型電池。
由于鋰離子電池在化學(xué)反應(yīng)過程中需要消耗電池內(nèi)部物質(zhì)，所以需要較大的電池體積。鋰空氣電池依靠電池外部空氣中的氧氣進行正極化學(xué)反應(yīng)，因此可以相應(yīng)地減小體積。
在鋰空氣電池組實驗中，研究者將一組10個直徑16毫米的圓形鋰空氣電池制成一組，將10組疊起來制成一包，其厚度僅為8毫米。
鋰空氣電池的發(fā)電量是相同重量的鋰離子電池的5至10倍，是目前能量密度的理論值最高的電池。
但是，鋰空氣電池的問題是會逐漸老化，以及必須使用氧氣，難以應(yīng)用于太空飛行。
全固態(tài)電池顛覆常識
新型蓄電池的另一位“種子選手”是由固態(tài)部件組成的全固態(tài)電池。
鋰離子電池通過鋰離子在內(nèi)部電解質(zhì)液體中流動以產(chǎn)生電流。但由于電解液是易燃液體，如用于飛機，可能由于氣壓變化，導(dǎo)致漏液引發(fā)。
全固態(tài)電池采用固體電解質(zhì)，具有更好的耐熱性，與鋰離子電池60度的溫度上限相比，全固態(tài)電池可在接近100度的溫度下運行。
因此，盡管全固態(tài)電池的能量密度不如鋰空氣電池高，但通過改進正負極和固態(tài)電解質(zhì)的材料和結(jié)構(gòu)，仍然具有很高的實用性。
鋰離子或?qū)⑼顺鰵v史舞臺？
隨著材料學(xué)研究的進展，也許鋰離子作為蓄電池“王者”的地位終將動搖。
最新研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，有望利用鈉開發(fā)制造“鈉離子電池”，代替資源稀缺的鋰離子。還有可能制造能量密度超過鋰離子電池的“鎂二次電池”。
現(xiàn)代社會對于輕便、耐用、廉價和安全的電池的需求，正在催生新一代蓄電池的出現(xiàn)。鋰離子電池從誕生到全盛，僅用了短短40年。我們正處在第四次工業(yè)革命時代，新一代電池之王需要多久才會誕生呢？這一次，又會是哪些科學(xué)家會為徹底改變我們的生活做出貢獻呢？讓我們一起拭目以待吧。
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