因薄膜引發(fā)的諾貝爾化學獎（2019）
2019年的諾貝爾化學獎授予了約翰·B·古迪納夫、M·斯坦利·威廷漢和吉野彰，以表彰他們在鋰離子電池發(fā)展上所做的工作。而驅(qū)動鋰離子電池材料技術(shù)不斷創(chuàng)新與發(fā)展的原因和薄膜有重要
因薄膜引發(fā)的諾貝爾化學獎（2019）
2019年的諾貝爾化學獎授予了約翰·B·古迪納夫、M·斯坦利·威廷漢和吉野彰，以表彰他們在鋰離子電池發(fā)展上所做的工作。而驅(qū)動鋰離子電池材料技術(shù)不斷創(chuàng)新與發(fā)展的原因和薄膜有重要的聯(lián)系。
因為同樣質(zhì)量下，鋰電池比其他電池儲存更多的電能，導致鋰電池一直成為市場最受關(guān)注的新能源電池熱門，并一直延續(xù)到當前。在上世紀70年代，鋰電池是使用金屬鋰作為正極，石墨等材料作為負極，為了防止短路，一般正負極中間會用微孔隔膜（隔膜一般采用高強度聚烯烴材料生產(chǎn)多孔薄膜）進行阻隔，鋰電池使用的電極材料金屬鋰，是世間最活潑的元素之一，極易燃燒，甚至與氮氣都能發(fā)生反應。這樣的特性極大拔高了鋰電池的技術(shù)要求和應用難度，在生產(chǎn)組裝過程中稍有不慎，泄進了空氣，輕則電池報廢，重則起火燃燒，因為動力學等因素，鋰金屬表面會形成一些“小毛刺”，叫做枝晶。隨著在電池的使用，這些枝晶會越長越大，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。成分、組裝、生產(chǎn)環(huán)境等等都可以改進，但枝晶縈繞在鋰電池中，無法擺脫。安全問題直接導致當時最大的鋰電池公司加拿大Moli倒閉，被日本NEC收購。
而古迪納夫正在研究的鈷酸鋰為鋰電池推廣安全提供保證，鈷酸鋰對空氣等不敏感，而特殊的層狀結(jié)構(gòu)，能夠方便提供鋰離子，確保電能的儲存，而枝晶問題在鈷酸鋰中也得到了改善。在一定的使用時長下，鈷酸鋰是一種安全系數(shù)很高的電極材料。
鈷酸鋰雖然儲能性能好，安全性也不錯，但是仍不是一個十全十美的材料。一個原因是在長時間使用后，鈷酸鋰的層狀結(jié)構(gòu)容易崩塌，就好比漢堡中間的牛排被抽出，兩層面包自然要塌到一起。崩塌的層之間無法再進行鋰離子的存儲，造成電池整體的性能衰減。另一個原因是鈷酸鋰實在太貴。鈷元素本身就是一種戰(zhàn)略資源，產(chǎn)地只有非洲和美洲一些小國，隨著鋰離子電池日益興盛，對鈷的需求更是與日俱增，從而極大提高了鈷酸鋰的成本。1997年，古迪納夫研發(fā)出新的替代材料，磷酸鐵鋰（分子式LiFePO4），或者簡稱為LFP，LFP的成分是極其廉價的鐵與磷，價格遠低于鈷。雖然LFP也存在著不足之處，比如它的儲能效果比鈷酸鋰要差一點，但它的穩(wěn)定性和低成本迅速吸引了產(chǎn)業(yè)界的注意。美國的A123公司靠著生產(chǎn)LFP，一度成為全球鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的霸主。
鈷酸鋰和LFP雖然在一定程度上抑制了枝晶問題，減少了因為枝晶刺穿鋰電池隔膜的風險但在電池的使用過程中，仍然會有部分鋰原子沉積在電極表面，形成枝晶。所以，枝晶問題從未得到根本解決，安全隱患仍在。可以說，鋰枝晶刺穿隔膜的問題貫穿了整個鋰電產(chǎn)業(yè)的歷史，至今仍盤旋在電池領(lǐng)域的心頭，縈繞不去。而且，鋰離子電池中所使用的電解液是一種有機物的混合液體，易燃易爆，這也是飛機等禁運鋰離子電池的重要原因。缺點如此明顯的鋰離子電池，實在不足以將人類引領(lǐng)到未來。所以，古迪納夫又毅然投入到全新的電池研究中，他腦海中下一個可能改變世界的創(chuàng)新，就是全固態(tài)電池，未來全固態(tài)電池發(fā)展，鋰電池隔膜在其中將扮演何種角色？
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