下载通发娱乐 未来手机有没有可能一个月只需充一次电?除了手机,锂离子电池可能应用在火箭上吗?

2020-01-11 17:27:27 作者:匿名

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下载通发娱乐,本文刊载于《三联生活周刊》2019年第42期,原文标题《锂离子电池的未来》,严禁私自转载,侵权必究

主笔/苗千

三联生活周刊:请你介绍一下这三位化学奖得主最重要的科学成就。

邹晓冬:这三位科学家对锂电池商业化开发的整个过程,都做出了非常重要的贡献。第一位威廷汉,他主要提出了用锂离子可以做充电电池的设想,这是一个非常重要的贡献。在上世纪70年代的石油危机中,埃克森美孚公司试图找到一种新型能源。(当时在埃克森美孚工作的)威廷汉意外发现锂可以有很大的能量储存率。当时埃克森美孚公司想把锂电池技术工业化,可是最大的问题在于用金属锂来做电池阴极容易爆炸,就是说它的安全性很低。

威廷汉当时的想法很好,先合成层状硫化钛,使得锂离子可以从里边经过。阳极使用硫化钛,阴极使用金属锂离子,那么充电的时候就可以使锂离子从一极流到另一极,放电的时候锂离子再流回来,这就是一个充电电池。传统电池所采用的材料一般都很重,现在用锂的话就轻了很多,这是一个非常重要的里程碑。然而威廷汉意识到锂离子虽然有很大的发展潜力,可还是存在问题,比如它的势能比较低,只有2伏。

第二位得主古迪纳夫的成就在于找到了一种更适合做锂离子电池阳极的材料,叫作钴酸锂。从上世纪70年代到80年代,他历经10年才找到了这种最好的材料。这种材料使得电池的能量密度提高了,这是一个很大的里程碑。至此,锂金属作为电池用料仍然还不稳定,它遇到空气遇到水就会产生很大的能量,容易爆炸。那么这是第三位诺贝尔奖得主吉野彰的贡献,他找到了一个更好的阴极材料,配置成了可行的锂离子充电电池。

这三位诺贝尔奖得主都为锂离子电池的发展做出了非常重要的贡献。锂离子电池的发展并不是一步到位的,前后经历了大概15年的时间。除了这三位,还有许多科学家做了很多工作。

三联生活周刊:用锂离子作为电池材料,相比于其他材料最大的优点是什么?

邹晓冬:首先,锂离子最大的优点在于它是最轻的固体材料,在元素周期表上它是第三位。第一位是氢,可它是气体。再者,锂离子容易失去电子进行放电,也就是说可以给出电子;它很轻,可以储存的电荷密度大、能量密度大,再就是能量的容量大,这些是它最大的优势。以前的电池都很大,而且都对环境造成较大污染,比如锌、铬元素等等。以前的电池材料都是合金,现在变成了氧化物。用锂离子做电池可以做得很轻薄,这样的话我们就可以应用在手机、手提电脑、心脏起搏器等仪器上。它较大的能量密度,还可以运用到电动汽车上。这是一个革命性的转变,我们很多的仪器往后都可以变成便携式的了。

这种材料的应用,对以后能源技术的发展也有推动。太阳能、风能都是可持续能源,但只有在有太阳有风的时候才能产生,那么我们就需要一个暂时储存能量的方式。把这些可持续能源产生的能量都储存到锂离子电池里,或许会成为一种好的选择。

三联生活周刊:既然这三位科学家的科学成就都非常重要,那么为什么在30多年后才获得了诺贝尔奖?

邹晓冬:刚才诺贝尔委员会也介绍了,古迪纳夫应该是有史以来年纪最大的诺贝尔奖得主。为什么间隔了这么长时间?因为很多的科学发展,都是从基础科学慢慢转变成很多人投身其中的研究,最后再转变成一个有实用性的研究结果。手机、手提电脑、电动汽车的发展,实际上都是在最近一段时间才发展出来的。也就是说以前围绕上述产品的研究与发现直到现在才对社会、对环境做出非常重大的贡献,并且越来越明显。

当然,我想将来锂离子电池的发展状况还远不止于此,在诺贝尔奖的加持下,会有更多的人继续在这方面投入研究。现在用的电极材料一般是锂和其他过渡金属的复合型氧化物,以后也许有可能将过渡金属替换成更为普遍的金属元素,所以还有很大的发展空间。现在很多装置都需要用电,锂离子电池或者其他任何类型电池的发展,都能够有效地促进技术革命。

三联生活周刊:你刚才说到锂离子电池可以把很多仪器变成便携式,甚至还可以用在汽车上,那么它有没有可能应用到更大的东西上,比如火箭?

邹晓冬:这在理论方面并没有特别大的约束。要应用在火箭上需要极高的能量密度,当然还可以看看能不能发展其他的新材料,使得性能提高幅度更大。现在研究锂离子电池的人非常多,但真正的突破还不是很多。我相信在未来会有更大的突破,更广泛的应用是完全有可能的。

三联生活周刊:锂离子材料除了用在电池方面,还有没有其他的应用?

邹晓冬:锂离子肯定还可以有很多其他方面的应用。如果说现阶段在日常生产生活中最普遍的应用,主要还是用作电池材料。

三联生活周刊:现在大家都很关注环境问题,很多人可能用完一个电池之后随手就扔掉了。如果我们随手把锂离子电池扔进垃圾箱,最后进入到土壤里,可能会对环境产生什么样的影响?

邹晓冬:相对于其他金属来说,锂离子对环境的影响不算很大。你要注意锂离子电池里边锂离子的比例是非常小的,它特别轻。其实有很多其他的元素,对环境影响可能更大。而且这些资源都是有限的,所以我想将来有一天锂离子电池的回收会是一个非常重要的课题。现在使用锂离子电池的电动汽车还不是太多,如果有一天电动汽车能够完全取代燃烧原油的汽车的话,那么锂离子电池回收就会是一项至关重要的技术。

三联生活周刊:我们现在的手机使用的都是锂离子电池,但是仍然需要每天给它充电。锂离子电池在未来的潜力究竟还有多大?有没有可能在未来手机只要一个月甚至更长的时间充一次电就可以一直使用?

邹晓冬:现在锂离子电池方面的研究非常多,有很多研究就是在发现和发展其他新型材料,或者是材料配比、电池阴极阳极、电解质等方面。一种新材料使得手机充电的周期缩短,大概几天充一次电就行,这肯定是未来持续发展的一种可能结果。未来的电池能量密度将提高更多,充电的速率也会同步攀升。下一代电池不一定是锂离子电池,还有可能是其他材料的。

很多使用其他材料的电池也和锂有关系,比如说锂和氧气电池、空气电池或者是钠离子电池等等。现在暂时还没有任何一种其他电池能够跟锂离子电池竞争。当然研究还是继续在开展,希望将来有一天锂离子电池会被性能更好的电池取代,这也是科学发展的必然趋势。

三联生活周刊:这几位科学家做出的突破大都在上世纪70至80年代。30多年来,这方面研究最大的突破是什么?

邹晓冬:我认为最大的突破在电极。从阳极材料的使用来说,钴酸锂是一个很好的材料,但是钴的资源是有限的。锂离子电池的应用将来会普及到每个人的生活中,它对钴的需求量将会非常大。有研究者考虑用资源量更加丰富的铁来代替,这实际上就是古迪纳夫的后期贡献,就是说可以用磷酸铁锂来代替钴酸锂。这是在材料使用上的突破。

电解质的成分也有很多突破,现在我们一般都是用聚合体来做电解质。阴极材料的研究近年来也有突破。从过去到现在都有各种针对锂离子电池不同方面的研究在进行着,持续地对各方面进行优化。现在电池的发展非常快,它在不停地迭代。当然,最后还需要公司的大量投入,进一步实现锂离子电池生产的产业化。

(感谢实习记者钟可整理采访录音)

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