《乡村教师,你成圣人?》

第18章 锂电池的理论发现

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1790年代,伽伐尼提出“生物电”的概念,由此,拉开了化学电池的大幕

到1836年,丹尼尔电池横空出世,电池的基本形式被确定了下来,其包括了正极,负极以及电解液

直到距离陈明较近的1972年,贝尔实验室的J.Bread等人研究了在金属二硫族化合物中的硫、碘原子的插层现象,一百多年过去,锂电池悄然出现在学界的视线当中,并诞生了由埃克森公司生产的纽扣型锂电池

这种电池以二硫化钛作为阴极,使用锂离子作为电解液,其工作原理是将离子插入电极材料主体的原子晶格中,被称为嵌入

陈明记得小时候还见过这种电池,一般小玩具会用到

不过这种电池并没有大规模生产,很快就停产

这是他费劲力气收集到的国外消息,虽然少,不过对他够用了

笔记本上,密密麻麻的文字整齐地排列在上面,不少段落间还穿插着他设计的电池草图

经过理论研究他发现,纽扣电池并没有想象的那么安全,金属锂易挥发,有爆炸的风险,也不知道这个时候国外有没有爆炸的案例

如果单纯的要让电池更加安全,锂金属的合金化是一个不错的办法

但这并不是一切的关键,即便是锂电池,也要遵循电池的基本结构

不仅仅是正极材料,负极材料和电解液也是必须要重视的地方,三者融为一体,彼此契合才是最优解

前十年国外的研究基本集中在正极材料上面,却忽视另外两个

锂金属本身由于其良好的性质,一度被认为是不可替代的负极材料,但化学活性太大的特点让陈明将目光放在了其他材料上

本质上,锂电池是具有浓度差的电池,正负极材料具有不一样的电化学电势,中间被隔膜隔开,Li+从化学电势较高的插层材料电极向电势较低的电极移动,只有锂离子可以通过隔膜在电解液中移动,电荷补偿电子只能通过外电路移动,从形成电流以供输出使用

所以,理论上,只要保证负极电势低于正极电势,就能达到锂电池的原理

这让他想到一种也许可以替代锂的材料

石墨!

石墨拥有着高电导,高容量,电势低,惰性等良好性能

但目前所使用的高氯酸锂PC电解液分子会随着锂离子插层进入石墨结构中,从而导致循环性能降低,究其原因,PC电解液难以形成坚固的SEI膜而不能抑制Li+-PC溶剂共嵌、石墨剥离和电解液分解,至Li+-PC相互作用较强

也就意味着想要使用石墨作为负极,必须找到合适的电解液

自从正极材料从二硫化钛变成钴酸锂等高压正极材料出现之后,电解液便完成了醚类到酯类的迭代

而酯类溶剂家族主要包括羧酸酯和碳酸酯两大类,其中,最受关注的是碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯,后者已经确定不适用于石墨负极材料,这让陈明注意到了前者

可碳酸乙烯酯有高熔点、高粘度等缺点,溶剂化能力弱,看上去比碳酸丙烯酯差,但是,这也是可以解决的,至少在理论上是可以

如果将一个低熔点,低粘度的溶剂与它混合使用,相当于中和一下,是不是就可以得到一种恰到好处的混合溶剂

电解质主要由有机溶剂、锂盐、添加剂组成,因此,这种混合溶剂同时需要让锂盐可溶

陈明想到一种最简单的方法,找一个同为碳酸酯的溶剂

早期的实验研究就表明,一种环状碳酸酯与一种或多种直链碳酸酯的混合液可以构成良好的溶剂体系

他的脑海中,一下子就出现了许多链状碳酸酯,碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯

这三者熔点较低,可以扩展电解液温度下限

不知不觉中,他的笔记本上又多了一页笔记

现在理论有,但是需要实验才能进一步证明这条路行不行地通

他放下笔,看着笔记本上复杂的化学公式,想着可以去哪借一借化学实验室

想了半天,除了母校,好像就没有哪里他熟络了

但,怎么说呢,自己一个学文科去借化学实验室,确定不是去制造爆炸事件?

他抓了抓头发,真是一个头两个大

微微叹了声气,他伏下身子,从抽屉里抽出一张信纸

他必须让别人对他的研究感兴趣,才能获得帮助

《论碳酸乙烯酯在锂电池电解液中的应用》

写好标题,他整理了下思绪,把关于电解液基本构架的核心内容抛开,单纯就碳酸乙烯酯写了一篇论文

写完已经快下午上课了,他将信纸塞回信封,等抽空去一趟邮局

五天后,信件便寄到了魔都《科学》期刊

作为天朝早期成立的综合类科学期刊,由天朝科学技术协会主办,它的影响是在这个时期最大的

不过并不是什么论文都能进的《科学》的办公大楼,从信件放入《科学》的信箱时,淘汰便开始了

大量的投稿放在了一群初审编辑的面前,他们的任务就是在海量的投稿里找出有价值的东西,送到办公大楼一楼的复审办公室,在那里会将投稿进行分类,送到不同专业的责任编辑手中

“这都写的是什么,写个东西就往我们这边送,还有写小说的,气死人”

“我这也是,这是什么,一幅画?”

他们一定干这个工作有几年了,但每当这个时刻都忍不住想吐槽

“咦,我这终于有一个”

仅仅是简单的看了下,上面的化学公式和专业名词让这位编辑眼前一亮,将它放在一边

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