2019 年诺贝尔化学奖授予锂电池,这项技术如何改变了我们的生活?

2019 年诺贝尔化学奖授予锂电池,这项技术如何改变了我们的生活?

美国科学家约翰·古迪纳夫(John B. Goodenough)、斯坦利·惠廷汉姆(M. Stanley Whittingham)和日本科学家吉野彰(…
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那些高赞回答都是给外行看的,这里给内行写个回答吧。

首先一言以蔽之,Li-ion battery(LIB)是无数巧合下导致的一项美丽的发明,the beauty of electrochemistry,它如同在悬崖上走钢丝,差任何一点点这个伟大的发明都不会实现,美丽的地方有如下几条,如果是内行的话,可以自行感受一下

  1. rocking-chair mechanism,LIB出现之前,所有的可充电池都是基于电化学的沉积(plating-stripping),大多数电池的电解液也是参与反应的(比如铅酸电池)。而LIB是第一个电解液几乎完全不参与反应(除了第一圈),基于cathode和anode之间Li ion的shuttle的电池。电解液不反应带来了一项巨大的好处,就是可以尽可能的减少电解液的用量,大大提高了电池的能量密度。而基于rocking-chair的电极,比plating-stripping稳定了不知道多少倍,而且原理上就更好控制。(plating-stripping,涉及到nucleation,growth,multi-interface,到底有多难控制看看Li metal anode就知道了)。
  2. 在热力学极不稳定的情况下实现了稳定的充放电。众所周知,电池的能量等于电压乘以容量,也就是说提高电池的工作电压是提高能量的最好的办法。然而水的稳定电化学window只有1.23V,而大多数有机溶剂也差不多,甚至比水还不稳定,几乎没有任何一种电解液(除了固态,而固态有自己的问题)可以达到1.23V以上的window,这也就是为什么LIB之前的电池们电压都非常低,比如铅酸电池只有2.1V,而为了达到这个2.1V,还需要经常补充水,因为2.1》1.23,水其实一直在被电解。而LIB竟然可以做到4.1V的电压,不可谓不神奇!其中的道理其实也不难,热力学上不稳定,但是动力学上可以反应速率无限慢,相当于就是稳定的。所以在LIB的正极和负极表面,都会有一层与电解液溶剂和盐反应,形成的不导电却导锂离子的薄膜,SEI layer,这一层layer防止了cathode和anode进一步分解电解液,因此LIB才可以稳定的运行。试想如果这层layer是导体,或者这层layer不致密(铁生锈这个过程),或者这层layer不导Li ion(比如Mg-ion battery),任何一种情况发生,就没有我们今天的LIB。
  3. Aluminum作为current collector。LIB正极的工作电压是如此高,以至于大多数常见金属都会在这个电压下被腐蚀,而贵金属又太贵,不能商业化。经过无数次寻找,能承受这个电压的常用金属只有不锈钢和铝,而不锈钢延展性差,不能做成thin foil。所以铝成了唯一的选择。事实上铝在这个电压下是不稳定的,但是神奇的是电解液里面的盐电解出来的PF6离子可以钝化铝的表面,同时又不影响铝的导电性。而绝大多数其他的Li盐都做不到这一点。也就是说如果没有铝箔和LiPF6盐天衣无缝的配合,LIB就不会存在在这个世界上。
  4. 碳材料作为负极。最初的LIB采用TiS2作为正极,Li作为负极。而Li极其不稳定,导致LIB无法商业化。碳,拥有van der waals结合的层状结构适合嵌入Li ion,同时自己又是导体,简直是为LIB负极而生。然而采用碳作为负极也并不是一帆风顺的。因为碳的layer结构,其实很多溶剂也会嵌入,甚至是不可逆嵌入。同时碳的surface也容易被电解液腐蚀。所以经过长年累月的寻找,终于找到了以链状和环状碳酸酯混合物为基础溶剂的电解液,既可以保证Li ion conductivity,又可以保证对碳没有活性。差了哪一样,LIB就不会存在在这个世界上,again。
  5. 极低的self-discharge。LIB及其类似的有机电池体系已经让大家理所当然,已经忘记水系电池里面被自放电支配的恐惧。当然这一点算是在建立LIB整个体系之后,附加的奖励。不过正是因为有了这种性质,LIB才会以摧枯拉朽之势,短短十数年之内就支配了充电电池市场。

可以看到,上面这些point其实并不是goodenough的贡献(他的贡献是LiCoO2,LiMn2O4, LFP正极)。其实point 3和point 4就是三位获奖者里面那个很少被大家提起的日本人吉野彰(‎供职于旭化成的贡献。加上SONY对LIB的商业化,可以说没有日本企业就没有今天的LIB。时至今日,最好的LIB依旧是日本的松下生产的,而最好的电极材料则是住友化学提供的,可以说我们还是要虚心向日本学习。

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