古德诺夫指导两名博士后研究人员系统性地在周期表中摸索,用不同的金属氧化物对锂进行比对,看看在它们崩溃前能从其中抽出多少锂。最终,他们确定了锂和钴的混合物,后者是遍布非洲中部的蓝灰色金属。锂钴氧化物可以承受半数锂被拉出的极限。当它被用作阴极时,这代表了电池技术向前迈出了一大步。钴是一种更轻便、廉价的材料,既适用于小型设备也适用于大型设备,而且大大优于市场上的其他材料。
如今,古德诺夫的阴极几乎出现在地球上的所有掌上设备中,但他并没有从中赚到一分钱。牛津大学拒绝申请专利,他本人也放弃了这项权利。但它改变了可能发生的事情。1991年,经过10年的修修补补,索尼将古德诺夫的锂钴氧化物阴极与碳阳极结合在一起,试图改善其新型CCD-TR1摄像机的电池续航时间。这是第一款用于消费产品的可充电锂离子电池,它改变了整个世界。
中国浙江省金华市坎迪工厂的生产线上,可以鸟瞰无数电动汽车
吉恩·伯迪切夫斯基(Gene Berdichevsky)曾是特斯拉的第七名员工。当这家电动汽车公司于2003年成立时,电池能量密度稳步提高已经持续了十年,每年的提高幅度约为7%。但到了2005年前后,伯迪切夫斯基发现锂离子电池的性能开始趋于平稳。在过去的七八年里,科学家们不得不竭尽全力去争取哪怕是0.5%的电池性能提高。
当时的进步主要来自工程和制造业的改进。伯迪切夫斯基说:“在现代化学反应被使用27年后,它们不断接受提炼。”材料更加纯净,电池制造商已经能够通过使每层都变得更薄的方式将更活跃的材料装入相同的空间中。伯迪切夫斯基称之为“从罐子里吸出空气”。但这也有其自身风险。现代电池由极薄的阴极、电解质和阳极材料的交替层组成,与铜和铝电荷收集器紧密地结合起来,将电子带出电池,送到需要的地方。
在许多高端电池中,塑料隔膜位于阴极和阳极之间,用来防止它们接触和短路,其厚度仅为6微米(约为人类头发厚度的1/10),这使它们很容易受到挤压损伤。这就是航空公司的安全视频现在为何警告称,如果你的手机掉进了机械装置里,不要试图调整座位。
对锂离子电池的每一次改进,都需要权衡取舍。提高能量密度会降低安全性,引入快速充电可能降低电池的循环寿命,这意味着电池的性能下降得更快。锂离子的潜力正在接近其理论极限。自从古德诺夫的突破以来,研究人员一直在试图寻找下一个飞跃,包括通过系统性地审视电池的四个主要组成部分——阴极、阳极、电解质和分离器,并使用越来越复杂的工具。
克莱尔·格雷(Clare Grey)是古德诺夫在牛津大学的学生,他始终在研究锂-空气电池,即用空气中的氧气充当另一个电极。从理论上讲,这些电池提供了巨大的能量密度,但要让它们可靠地充电,并且持续时间超过几十个周期,在实验室里已经够困难的了,更不用说在现实世界肮脏而不可预知的空气中了。
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