诺贝尔化学奖
成功制造锂电池
我们迎来了可充电的世界
今年的诺贝尔化学奖授予三位在锂电池领域做出重要贡献的科学家古迪纳夫、惠廷厄姆和吉野彰。正如评奖委员会所说,他们为人类带来前所未见的强大电池,创造了一个可充电的世界。如果没有他们发明的锂电池,就不会有智能手机,平板电脑或笔记本电脑。
20世纪70年代,英国科学家斯坦利·惠廷厄姆用硫化钛作为正极材料,金属锂作为负极材料,制成了首个锂电池。但锂电池使用的电极材料金属锂,是世间最活泼的元素之一,极易燃烧。生产组装过程中稍有不慎,泄进了空气,轻则电池报废,重则起火燃烧。而在肉眼看不到的地方,还有一个更大的隐患:因为动力学等因素,锂金属表面会形成一些“小毛刺”,叫做枝晶。随着电池的使用,这些枝晶会越长越大,最终会刺破电池正负极之间的隔膜,造成短路,引起电池自燃。
随后,针对这一问题,美国科学家古迪纳夫用钴酸锂代替硫化钛,实现了第一个真正可以安全充电的锂电池。日本科学家吉野彰首次提出用碳基材料作为阳极。古迪纳夫和吉野的成果最终确立了当下锂电池的范式:以碳基材料为阳极,以钴酸锂为阴极,1991年,这种锂电池被索尼公司推向市场。由此,锂电池的大规模使用彻底改变了我们的世界。
三位科学家如今都已过垂暮之年,人们回望他们开启的壮丽事业,仍会感到激动。
浙江工业大学材料科学与工程学院夏阳副教授2016年到2017年曾在美国德州大学奥斯汀分校访问,和古迪纳夫教授有过密切交往,这位极具传奇色彩的科学家给夏阳留下了深刻印象。
古迪纳夫时年94岁,仍然每天到办公室工作,大多数时候还是自己开车。“早上8点半到9点钟,他到实验室转一圈,然后坐在办公桌前开始工作。”夏阳说,古迪纳夫的案头放着许许多多论文、报告、方案等,他一一仔细阅读,提出修改建议。他办公室的大门始终敞开着,学生和同事们随时可以进来和他讨论。夏阳愉快地回忆说,老爷子性情开朗,时常发出“哈哈哈”的爽朗笑声,可以从他9楼的办公室一直传到8楼的走廊上。
古迪纳夫的一生充满了传奇色彩。他是举世公认的“锂离子电池之父”,却几乎没有从发明中获得经济利益;他在年轻时酷爱文学与哲学,最终却误打误撞以优异成绩从耶鲁大学数学系毕业。
正当古迪纳夫打算攻读物理学时,二战爆发了,古迪纳夫加入军队,以气象专家的身份为航空部队服务。战争结束后,他决定继续攻读物理学。尽管有教授认为以他的年龄,很难在物理学领域有所建树,但古迪纳夫没有气馁。获得固态物理博士学位后,他进入林肯实验室工作。在那里,他发现了铁氧体磁芯的电流重合记忆功能——电子计算机内存技术的基础。
在林肯实验室工作期间,古迪纳夫接触到了一些能源材料,研究了锂离子的移动。当时正赶上美国受到阿拉伯国家石油禁运的影响,能源问题日益突出。正是在一系列这样的背景之下,古迪纳夫最终投身于锂电池的研究之中。
在夏阳的记忆里,古迪纳夫对科学事业十分专注、投入。“他经常和我们说:Follow your heart(跟随你的初心)。”夏阳说,即使是在周末,古迪纳夫也经常出现在实验室里。因年事已高,不容易申请到资助项目,他就拿出自己的工资作为课题组成员的补贴,支持年轻人坚持搞科研。人们可能很难相信,这位年过九旬的“锂电池之父”仍然走在自己开创的事业的最前沿——2017年,古迪纳夫团队研制出了首个全固态电池,这种更安全、充电更快、使用寿命更长的充电电池将为智能手机、电动汽车和能源存储站提供新的选择。
吉野彰曾说:“电池技术是复杂又困难的学科交叉领域,它的发展需要多方面的专家。在我看来,锂离子电池是集体智慧的成果。”今天,在研发新型电池的探索之路上,我们看到许多科学家的身影,这三位白发老者仍在其中。