2019年诺贝尔化学奖,授予了三位“为锂电池作出巨大贡献”的科学家,分别是约翰·B·古迪纳夫(John B.Goodenough)、M·斯坦利·威廷汉(M. Stanley Whittingham)和吉野彰(Akira Yoshino)


三位并非是共同工作研究,而是作为锂电池奠基者、锂电池改造者和锂电池优化者在各处单独进行钻研。目前生活中所不可或缺的种种电子产品都离不开他们的功劳,无论是手机、电脑、相机还是电动汽车,都是基于锂电池技术的成熟才得到快速的发展。


电池简史


要想了解他们的贡献,得先了解一下电池发展里程。


电池的基本原理即是用“活性较高”的金属材料制作阳极(即负极-),而用较为稳定的材料制作阴极(即正极+),阳极材料由于库仑力的原因丢失电子(氧化反应),流向阴极使其获得电子(还原反应),而电池内部(电解液)则发生阴极的阴离子流向阳极与阳离子结合,由此形成回路,产生电能。


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也正是因为这种流动本质上是化学反应,所以遵循能量守恒定律。如果对外部用电器(手机、相机等耗电物品)做功了,也就意味着反应产生的能量被用电器“吸收”了,达到相对的平衡。如果没有用电器,但是回路接通,就意味着能量无处可用,将会变成热能,且速度非常快,因为电子移动的速度与光速相同,也就是为什么电池发生短路时会剧烈发热甚至燃烧爆炸。


一旦电池内部化学能量消耗完毕,则电池就没用了。所以可充电的电池,即是能够通过外部通电将内部的化学反应“还原”(归位),也就需要选择特别的材料和设计,能够“完美”恢复原样,使得电池重新获得化学能量。


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(伏特堆电池,图来自Visual Capitalist)


1799年,意大利物理学家Alessandro Volta发明了第一款电池(Vlotaic Pile 伏特堆),他利用锌片(阳极)和铜片(阴极)以及浸湿盐水的纸片(电解液)制成了电池,以证明了电是可以人为制造出来的。


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(丹尼尔电池,图来自Visual Capitalist)


大约40年后,以为英国化学家John Frederic Daniell通过变换电池形式,解决了伏特堆放电时产生的氢气气泡问题(由于发生化学反应产生了氢气,从而导致电池内部接触不良),此时电池可以达到1V电压。