锂电池起源涨知识｜2019年诺贝尔化学奖“主角”锂电池的前世今生|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

涨知识｜2019年诺贝尔化学奖“主角”锂电池的前世今生

很少看到一中元素在学术舞台上扮演核心角色，但2019年诺贝尔化学奖的主角却是一个起源于宇宙大爆炸的古老化学元素——锂。

10月9日，瑞典皇家科学院宣布将2019年诺贝尔化学奖授予约翰⋅古迪纳夫（John B. Goodenough），斯坦利⋅威廷汉（M. Stanley Whittingham）和吉野彰（Akira Yoshino），以表彰他们在锂离子电池领域的贡献。

锂电池的故事要从锂元素被发现讲起

1817年，瑞典化学家化学Johan August Arfwedson和Jöns Jacob Berzelius首次将锂从一个瑞典小岛的矿石样本中提取出来。当时，Berzelius以希腊语中的“石头、石子”命名了它。

虽然这个名字听起来很重，但其实，锂是最轻的固体元素——这或许就是为什么，我们有时候不会注意到随身携带的手机。

更准确的来说，瑞典化学家实际上并没有发现纯的金属锂，而是以盐的形式发现锂离子。纯锂是一种非常不稳定的元素，必须储存在石油中，防止它与空气发生反应。

锂的弱点是它的反应性，但这恰恰也是它的优势。

20世纪70年代初，Stanley Whittingham开发第一个功能性锂电池时，他利用锂的巨大驱动力来释放外层电子。

1980年，John Goodenough将电池的潜力翻了一番，为更强大、更有用的电池创造了合适的条件。

1985，Akira Yoshino成功地从电池中消除纯锂。他采用锂离子作为材料，比纯锂更安全。

这一尝试时的电池进行了人们的实际生活。锂离子电池给人类带来了诸多好处，它使笔记本电脑、手机、电动汽车的发展以及太阳能和风能发电的储存成为了可能。

Stanley Whittingham将锂带入了电池

20世纪中叶，全球汽车保有量上升，汽车尾气进一步加剧了大城市的空气污染。于此同时，人们日益认识到石油资源有限的，这使汽车制造商和石油公司拉响了警报。为了生存，他们打算投资电动汽车和替代能源。

不过，电动汽车和替代能源都需要能够存储大量能量的强大电池。当时，市场上只有两种类型的可充电电池——重铅电池和镍镉电池。

是Stanley Whittingham把金属锂带入了电池，也是它成为了这个故事的主角。他将锂作为新电池的负极。

锂不是一个随机选择；在电池中，电子应从负极（阳极）流向正极（阴极）。因此，负极应包含一种易于释放电子的材料，而在所有元素中，锂是最容易释放电子的材料。

Stanley Whittingham的实验创造出了在室温下工作的可充电锂电池，并且具有巨大潜力。之后，他前往纽约埃克森美孚总部，在大约十五分钟的会议之后，埃克森美孚管理团队决定：将利用Whittingham的发现开发出一种商业上可行的电池。

第一批可充电电池的电极中有固体材料，与电解质发生化学反应时会损坏电池。

石油危机激发Goodenough对电池的兴趣

John Goodenough幼年时在阅读方面有很大的障碍，他因而被数学和物理学所吸引。与1970年代的很多人一样，Goodenough感受到了石油危机的影响，希望为替代能源发展做出贡献，并因此进入了能源研究领域。

Goodenough了解到Stanley Whittingham的革命性电池，但他对物质内部的专门知识告诉他，如果用金属氧化物替代金属硫化物制造电池的正极，电池的潜力会更大。

他的研究小组开始寻找一种金属氧化物，要求是当它嵌入锂离子时能产生高压，但当锂离子被移除时，它不会崩溃。

这项系统性的研究比Stanley Whittingham所预期的要成功得多。Goodenough用钴酸锂作为电池正极材料，所制成的电池功率几乎达到4伏。

1980年，他发表论文介绍了这种新型正极材料，它的重量很轻，却能生产出功能强大的高容量电池。

Goodenough开始在锂电池的正极中使用钴酸锂。这使电池的潜力翻倍，并使其功能更强大。

吉野彰制造首款商业上可行的锂离子电池

吉野彰最初在Goodenough的基础上，用钴酸锂作为电池的正极，并尝试使用各种碳基材料作为负极。后来，他在负极中使用石油工业的副产品——石油焦。结果显示，他以此开发出的电池更为稳定，而且重量轻、容量大，能明显产生4伏电压。

这类电池的工作原理不基于任何有害的化学反应，而是依靠锂离子在电极之间来回流动，使用寿命很长，在性能下降之前可以充电数百次。另一个很大的优势是。这类电池中没有使用纯锂，保障了安全性。

吉野彰开发了第一个商业上可行的锂离子电池。

1991年，日本一家大型电子公司开始销售第一批锂离子电池，这引发了一场电子革命。此后，手机变得越来越小，电脑变得更加便携，MP3播放器和平板电脑也得到了发展。

近年来，世界各地的研究人员都在寻找更好的电池，但还没有人成功地发明出超过锂离子电池的高容量、高电压的电池。

与此同时，锂离子电池也得到了改进，例如John Goodenough用磷酸铁取代了钴酸锂，使电池更加环保。

锂元素从何而来

锂（Li）是一种应用广泛的元素，从制药到电池制造，都有锂的身影。锂是从哪里来的呢？或许你会对这个显而易见的问题嗤之以鼻——当然从地球上开采的啊。但这里想要追问的是锂的宇宙起源。要回答这个问题并不容易，其实直至今日，科学家都无法为这个问题提供一个清晰明确的答案。

由SOHO空间望远镜拍摄的太阳。| 图片来源：SOHO/NASA

最近，一个国际天文学家团队在研究了成千上万颗类太阳恒星（质量和金属丰度与太阳相似）之后，意外地发现在这些恒星的生命末期，会产生大量的锂。而这一结果之所以让天文学家倍感意外，是因为现有的恒星模型并没有预测到会出现这样的情况，这表明现有的恒星理论中一定缺失了某些重要的物理过程。

锂是一种非常特殊的元素，它是138亿年前当宇宙大爆炸发生时就产生了的唯一金属。自那之后，随着恒星的演化，大量的其他元素开始产生。然而作为从一开始就已存在的金属，锂的增长量却并不显著。宇宙中只含有为数不多的锂。与此同时，科学家无法确认这些锂的来源。

锂（Li）是元素周期表中的第三号元素，原子核中有3个质子。| 图片来源：geralt / Pixabay

今天，锂的来源仍是一个让科学家们争论的问题。有人认为，锂是由高能宇宙射线与星际空间中的较重的碳和氧等元素发生撞击，将它们分裂成较轻的原子所产生的。

在天文学家看来，锂是一种很脆弱的元素，因为它们很容易毁于恒星内部的高温之中。通过分析星光光谱，天文学家能确定一颗恒星所包含的各种元素的含量。从过去的对恒星表面的锂的观测中，天文学家已经得出一个结论，那就是随着恒星的变老，恒星中的锂会逐渐被摧毁。

那么，这一结论适用于所有恒星吗？答案是否定的，一组被称为“富锂巨星”的恒星就是例外。这些恒星于40年前首次被发现，它们的含锂量是其他巨星的1000倍。富锂巨星并不常见，约只有1%的巨星是富锂巨星。在很长一段时间里，富锂巨星的确切进化阶段都是未知的，它们是如何、在何时产生锂的一直是一个谜。

所有类太阳恒星在燃烧完它们核心的所有氢之后，最终都会变成红巨星，它们会变得更亮，颜色更红，体积会扩大数百倍——甚至吞没掉原本环绕它们运行的行星。

这是一张由哈勃空间望远镜拍摄的显示了恒星生命的不同阶段的图片，图中包含年轻的蓝热恒星和年长的红巨星。新的研究集中关注红巨星中的锂含量。| 图片来源：NASA & ESA & T. Brown

当恒星变成巨星时，它们会先后经历三个不同的巨星阶段：红巨星支（RGB）、红团簇星（RC）、渐进巨星支（AGB）。处于这三个不同的阶段中的恒星在颜色和亮度上都很相似，所以了解富锂的恒星在产生锂时正处于哪一个阶段至关重要。而在研究富锂巨星如何产生锂这个问题时，天文学家所面临的一个主要难题就在于，他们难以确切地得知这些富锂巨星究竟红巨星的哪个阶段。

在众多理论中，有一种已被广泛接受的主流说法。2011年，有天文学家提出，富锂巨星很可能处于第二巨星阶段，即红团簇星（RC），后来的一些实验观测也让这种说法得到了更进一步的证实。天文学家基本确定，绝大多数的富锂巨星都是红团簇星。

在最近发表的这项新研究中，研究人员通过分析100多万颗恒星的数据，对富锂巨星进行了进一步研究。其中有20万颗类太阳恒星样本证实了富锂恒星的确处于红团簇星阶段的说法；而在早于红团簇星阶段的红巨星支阶段，研究人员检测到了锂被摧毁的迹象，这一结果是符合理论预期的。

然而就在此时，天文学家注意到了一些奇怪的现象。他们发现虽然其他一些处于红团簇星阶段的恒星的锂含量不是非常高，但它们锂含量比处于红巨星支末期的恒星要多得多。这似乎表明，这些恒星在从红巨星支过渡到红团簇星的过程中产生了锂。

而且，所有处于红团簇星阶段的恒星似乎都比处于红巨星支阶段的恒星含有更多的锂。这意味着在未来的某个时刻，太阳也会像这些类太阳恒星一样产生大量的锂。

总的来说，虽然研究人员还没有彻底解开锂的富集究竟是如何发生的，但根据已有数据，天文学家已经能对其发生频率进行判断。新的研究表明，所有的类太阳恒星可能都会出现锂的富集现象，而且它们就发生在红巨星支阶段结束和红团簇星阶段开始之间的某个时间。

实际上，通过研究只占巨星总量的约1%的富锂星，天文学家或许只窥探到锂元素问题的冰山一角。在接下来的研究中，天文学家将尝试更精确地确认锂生产的时间点。这样的研究将有助于恒星理论学家确认目前恒星理论中所缺失的关于锂生产的物理过程。

此外，有一部分新产生的锂会以恒星风的形式从恒星中被带走。天文学家可以通过研究这一现象来了解恒星为星系提供了多少锂，从而最终分析出它们是如何将锂带到了像地球这样的行星之上的。

参考链接：

https://theconversation.com/revealed-the-suns-secret-plan-to-become-a-lithium-factory-141976

https://www.nature.com/articles/s41550-020-1139-7

封面图来源：NuSTAR

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