2019年10月9日,瑞典皇家科学院宣布将诺贝尔化学奖授予美国固体物理学家约翰·巴尼斯特·古迪纳夫、英裔美国化学家斯坦利·威廷汉和日本化学家吉野彰,以表彰他们在发明锂离子电池方面做出的贡献。锂离子电池是一种可充电电池,由正极、负极以及电解液和隔膜构成主要结构,依靠锂离子在正极和负极之间的移动来工作。相比于其他充电电池,质轻的锂离子电池所具有的高电压和高比容量,使得其拥有更高的能量密度。
锂离子电池的出现对储能技术的革新,引领了我们的移动智能生活,手机、笔记本电脑等3C电子设备便携化成为可能,同时促进了长续航电动汽车的开发以及可再生能源的大规模存储。对石油枯竭的担忧和石油危机的产生催生了对新能源储能的需求,推动了电池的研发。70年代初期,威廷汉在研究超导体时,发现了一种富含能量的材料——二硫化钛,并其应用在电池中作正极,由于锂金属具有强烈的释放电子的能力,负极部分由金属锂制成。
古迪纳夫在威廷汉的研究基础上继续进行电池的研发,于1980年证明了嵌入锂离子的氧化钴可以产生多达4伏的电压,这项重要发现将锂离子电池的电势翻了一番,使得电池的体积更小、质量更轻、容量更大。吉野彰则研制出了第一款可商用锂离子电池。在1991年,日本索尼公司将锂离子电池首次投入市场,自此,这种电池就彻底改变了我们的生活。
锂离子电池的正极材料主要有三种结构:层状结构的LiMO2、尖晶石结构的LiMn2O4和橄榄石结构的LiFePO4。如今广泛使用的锂离子电池负极材料为石墨。商用的隔膜主要是以聚乙烯、聚丙烯为主的聚烯烃类隔膜。锂电池电解液是电池中离子传输的载体。固态电解质在锂电池中的使用还利于锂金属负极在电池中使用,有助于提高电池的能量密度。
目前锂离子电池仍然存在着一些不足,最突出的就是比容量和能量密度依然难以满足我们对便携、绿色生活的强烈需求。