古德諾夫指導兩名博士后研究人員系統性地在周期表中摸索,用不同的金屬氧化物對鋰進行比對,看看在它們崩潰前能從其中抽出多少鋰。最終,他們確定了鋰和鈷的混合物,后者是遍布非洲中部的藍灰色金屬。鋰鈷氧化物可以承受半數鋰被拉出的極限。當它被用作陰極時,這代表了電池技術向前邁出了一大步。鈷是一種更輕便、廉價的材料,既適用于小型設備也適用于大型設備,而且大大優于市場上的其他材料。
如今,古德諾夫的陰極幾乎出現在地球上的所有掌上設備中,但他并沒有從中賺到一分錢。牛津大學拒絕申請專利,他本人也放棄了這項權利。但它改變了可能發生的事情。1991年,經過10年的修修補補,索尼將古德諾夫的鋰鈷氧化物陰極與碳陽極結合在一起,試圖改善其新型CCD-TR1攝像機的電池續航時間。這是第一款用于消費產品的可充電鋰離子電池,它改變了整個世界。
中國浙江省金華市坎迪工廠的生產線上,可以鳥瞰無數電動汽車
吉恩·伯迪切夫斯基(Gene Berdichevsky)曾是特斯拉的第七名員工。當這家電動汽車公司于2003年成立時,電池能量密度穩步提高已經持續了十年,每年的提高幅度約為7%。但到了2005年前后,伯迪切夫斯基發現鋰離子電池的性能開始趨于平穩。在過去的七八年里,科學家們不得不竭盡全力去爭取哪怕是0.5%的電池性能提高。
當時的進步主要來自工程和制造業的改進。伯迪切夫斯基說:“在現代化學反應被使用27年后,它們不斷接受提煉。”材料更加純凈,電池制造商已經能夠通過使每層都變得更薄的方式將更活躍的材料裝入相同的空間中。伯迪切夫斯基稱之為“從罐子里吸出空氣”。但這也有其自身風險。現代電池由極薄的陰極、電解質和陽極材料的交替層組成,與銅和鋁電荷收集器緊密地結合起來,將電子帶出電池,送到需要的地方。
在許多高端電池中,塑料隔膜位于陰極和陽極之間,用來防止它們接觸和短路,其厚度僅為6微米(約為人類頭發厚度的1/10),這使它們很容易受到擠壓損傷。這就是航空公司的安全視頻現在為何警告稱,如果你的手機掉進了機械裝置里,不要試圖調整座位。
對鋰離子電池的每一次改進,都需要權衡取舍。提高能量密度會降低安全性,引入快速充電可能降低電池的循環壽命,這意味著電池的性能下降得更快。鋰離子的潛力正在接近其理論極限。自從古德諾夫的突破以來,研究人員一直在試圖尋找下一個飛躍,包括通過系統性地審視電池的四個主要組成部分——陰極、陽極、電解質和分離器,并使用越來越復雜的工具。
克萊爾·格雷(Clare Grey)是古德諾夫在牛津大學的學生,他始終在研究鋰-空氣電池,即用空氣中的氧氣充當另一個電極。從理論上講,這些電池提供了巨大的能量密度,但要讓它們可靠地充電,并且持續時間超過幾十個周期,在實驗室里已經夠困難的了,更不用說在現實世界骯臟而不可預知的空氣中了。
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