你離不開的鋰電池，了解一下

今年的諾貝爾化學獎，頒給了一個老年天團——97歲的約翰·古迪納夫、78歲的斯坦利·惠廷厄姆和71歲的吉野彰。沒有他們，就沒有為手機、平板電腦、電動車等續(xù)命的能源神器——鋰電池。

小小一塊看似平平無奇的電池，憑什么拿走900萬克朗的獎金？三位老人家為它的誕生各做了哪些貢獻？

我們先從電池的工作原理講起。

電池怎么工作

大家知道，物質(zhì)由原子組成。而原子又由帶正電的原子核和帶負電的電子組成。有些物質(zhì)的原子核實力弱，身邊圍繞的電子就少，比如氫，只有一個電子。有些物質(zhì)的原子核實力爆棚，身邊圍了一堆電子，一圈塞不下，還得分幾圈塞。這些圈叫電子層。最外圈電子層最多能塞8個電子（如果只有一圈電子層，則只能塞2個）。

電子們天生喜歡熱鬧扎堆。如果最外圈電子層只有一個電子，那么孤獨寂寞的它就總想跑路找伴兒去;而最外圈電子層有六七個電子的話，就會希望多拉些伙伴進群，把空位填滿。

早在18世紀，電學大咖們就利用電子的這一特性發(fā)明了電池。簡單來說，就是在電解質(zhì)中插兩塊不同的金屬片，負極的金屬容易丟失電子，正極則是捕獲電子的高手;當正負兩極連通后，電子們組團從負極跑到正極，就產(chǎn)生了電流。

不過呢，傳統(tǒng)的干電池有兩大缺點。一是會用到許多有毒的重金屬，對環(huán)境很不友好;二是重金屬嘛，自然很重（對此家有電動車的讀者一定深有體會）。所以貪心，哦不，是永不滿足的人就開始思考：能不能發(fā)明一種輕巧、環(huán)保、能量充足、耐力還好的電池？

這下，鋰電池迎來了屬于它的時代。

研發(fā)第一關(guān)：選材

闖關(guān)者：斯坦利·惠廷厄姆

鋰是一種歷史悠久的金屬，在宇宙大爆炸之初便產(chǎn)生了。但人類直到1817年，才意識到它的存在。

“鋰”這個名字源自希臘語中“石頭”一詞。別看詞源很有分量，鋰卻是最輕的固體金屬。鋰原子一共只有3個電子，兩圈電子層，即最外層只有一個電子，非常容易被“拐跑”，實在太適合做電池了對不對？而且鋰沒有毒性，對環(huán)境相當友好。

鋰電池的研發(fā)，始于上世紀的石油危機。其實汽車剛出現(xiàn)時，電動車也曾領(lǐng)一時風騷，但最終被汽油車淘汰。直到1970年代，石油供給短缺，電動汽車才重回人們視野，為電動汽車供電的新型電池自然也成了研究熱點。斯坦利·惠廷厄姆老爺子正是電池研發(fā)大軍中的一員。

惠老爺子發(fā)現(xiàn)，如果往二硫化鉭內(nèi)部插入鉀離子，會顯著影響二硫化鉭的導電性，兩者的相互作用富含能量。科學家的敏銳讓他意識到，這項技術(shù)可以用于電動汽車的儲能。由于鉭還比較重，老爺子又用重量輕但性質(zhì)相近的鈦代替鉭，即以二硫化鈦作為新型電池的正極材料。至于負極材料，當然是具有前述優(yōu)點的鋰毫無懸念地當選。

就這樣，最初的鋰電池誕生了！

研發(fā)第二關(guān)：安全

闖關(guān)者：約翰·古迪納夫

惠大爺帶著鋰電池，在歷史舞臺上C位出道了。閃亮登場的鋰電池立即引發(fā)了爆炸的轟動——呃，不是比喻，是真的爆炸了！

這是因為，金屬鋰實在太活潑了：易燃，易氧化，甚至跟超級不愛摻和化學反應(yīng)的氮氣都能發(fā)生反應(yīng)。所以生產(chǎn)組裝中稍有不慎，一旦泄進空氣，鋰電池輕則報廢，重則“砰”——起火爆炸。

而在肉眼看不到的地方，還有更大的隱患：電池反復充電，會讓鋰金屬表面形成一些“小毛刺”，叫做枝晶。枝晶越長越大，最終會刺破電池正負極之間的隔膜，造成短路，引起電池自燃，“砰”——爆炸。

雖然惠大爺向鋰金屬中加入鋁，并調(diào)整了電解質(zhì)成分，使鋰電池穩(wěn)定了些，但還不夠。

這時就輪到“足夠好”老爺爺——約翰·古迪納夫出手了。

“足夠好”爺爺堪稱大器晚成和跨界混搭的典范。他小時候有閱讀障礙，所以文科不好，于是就讀了數(shù)學專業(yè);二戰(zhàn)退伍后，他被政府送去學物理;54歲時他又跑到牛津教化學，并于四年后找到了能大大改進鋰電池性能的神奇材料——鈷酸鋰。

花絮鏈接

在牛津，“足夠好”老爺子以嚴厲而著稱。據(jù)說他教的某門課第一堂來了165個學生，而到第二堂時只剩8個，因為其他人都被嚇跑了。

鈷酸鋰可以取代金屬鋰，為電池提供鋰離子。而且這種氧化物可以拔高電池的使用電壓，能量密度更大。更重要的是，相對于瘋牛一樣活躍的金屬鋰，鈷酸鋰乖得很，對空氣什么的毫不感冒。至于枝晶問題，在鈷酸鋰中也得到了改善。簡直不要太完美！

不過老爺爺還不滿足，覺得鈷酸鋰的結(jié)構(gòu)仍不夠穩(wěn)定，而且鈷的產(chǎn)地少，成本太高。于是在75歲那年，他又推出了磷酸鐵鋰作為鋰電池的正極。這是后話。

研發(fā)第三關(guān)：耐用

闖關(guān)者：吉野彰

“足夠好”爺爺升級了鋰電池的正極，負極的優(yōu)化則由日本大爺吉野彰完成。

當吉大爺還不是吉大爺、而是吉小學生時，他的班主任給他推薦了一本科普書，書里有趣的化學知識，比如“蠟燭為何會燃燒”“蠟燭火焰為何變黃”等，立刻迷住了他。

吉大爺大學畢業(yè)時，正值日本電子產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的黃金時代。便攜電子產(chǎn)品如隨身聽、紅白機等風靡世界，日本國內(nèi)研發(fā)輕巧耐用的電池的熱情也隨之高漲。所以他的成功可謂是時勢造英雄。

吉大爺?shù)呢暙I在于，既然金屬鋰太危險，而鈷酸鋰又可以提供鋰離子，那干脆一了百了，負極也不用金屬鋰好了，改用石油焦。這是一種碳材料，它跟正極的鈷酸鋰一樣，可將鋰離子插入其中。這樣一來，電池工作時不再發(fā)生分解電極的化學反應(yīng)，只是讓鋰離子在兩極間跑來跑去就能產(chǎn)生電流，因此這種鋰離子電池非常耐用，可反復充電數(shù)百次。而且由于完全沒有了金屬鋰，電池的安全系數(shù)也大幅提升。

至此，鋰電池終于具備了商業(yè)化的條件。從那以后，30多年來，鋰電池的基本架構(gòu)就再也沒有太大的改動。

當然，“貪心”的人類永遠不會滿足于既得的成果。97歲的“足夠好”爺爺已開始著手研制新的超級電池;被“足夠好”爺爺當成兒子一樣疼愛的吉大爺也表示向他學習，“只要還活著就要繼續(xù)研究”。到明年，鋰電池的能量密度有望得到更大提升，那時，屏幕更大卻又更輕更薄的手機，也不用擔心續(xù)航問題了。