第六十章 锂离子电池

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王一男在学校的时候,没有学过电化学,不过作为化学的一个分支,简单的可以把电化学理解为电池中的化学就行了,实际上,现代电化学也基本上是为电池服务的。

跟理论物理学相比,电化学更多的像是经验科学,所谓的电化学的动力学方程云云,不过是将各种输入输出参数搭配在一起,然后用经验公式对实验数据进行拟合罢了。

电池的本质作用,就是电能,一种形式能量的存储和释放。

王一男把重点放在锂电池的研究上,因为锂原子序数为3,是最轻的金属,所以用来携带能量也是效率最高的元素,锂离子是最合适的电能携带者。

锂电池主要包括三部分,阴极,主要由石墨类材料组成,放电时锂离子离开,充电时锂离子嵌入石墨材料。

阳极,主要是锂的化合物,以锂铁磷酸盐为主,放电时锂离子嵌入,充电时锂离子离开。

电解质溶液,包括液态、聚合物以及最新的固态电解质。

从目前研究来看,大家都在保证安全的前提下,想办法提升能量密度或者提升充放电的速度/次数,这也很容易理解,要么,一块电池可以提供更多的能量,工作时间更长,跑得更远,要么,一次充电需要的时间更短。

当然除此之外,还有一个很大的问题,就是从实验室到大规模生产之间的鸿沟,比如说,在实验室可以做到一块电池能够通话一整天,但是成本可能是目前商用电池的十倍,这样的实验室产品也没有任何实际意义。

王一男准备独辟蹊径,换个角度来解决问题。他知道化学界最新的进展是分子机器。正常情况下,分子和分子之间是被强力的共价键所维持的,原子通过共价键共享电子,共价键的形成需要非常多的条件,因此,现实世界天然的化合物种类是有限的。

即使人工合成,稳定的化合物同样有着各种各样的限制。

但是,科学家总是有自己的奇思妙想,他们利用光化学复合物作为材料,使用铜离子作为胶水,光化学复合物在铜离子的帮助下,形成了一个奇妙的锁链,而锁链形成之后,科学家将胶水-铜离子拿开,新的稳定的机械键代替了共价键将两个分子锁在一起。

于是,科学家使用各种金属离子作为胶水,组合成了分子电梯可以把自己提升十几个分子的高度,分子肌肉,可以拉起非常薄的金属膜,甚至还有分子小车,有四个轮子的分子组成的小车,在光的照射下可以不断前进。

王一男要做的事情,就是建造自己的分子机械工程。

他拉上李文静和赵克勤,“首先我们要做的,就是找到所有分子机器的文献,所有的实验数据”。

“最早的分子机器思想,来自于伟大的数学家,物理学家,和计算机学家费曼”,王一男说,

李文静打断了他,”那个,我记得这些称号说的不是你自己吗?“

王一男面不改色的说,”我要说的是在我之前的那个,对,就是那个叫做费曼的男人“,

“他赤着脚,穿着粉红色的polo衫和米色短裤,在一次报告中,转向观众说,现在我们来谈谈,制造极其微小的、有可移动部件的机器的可能性“。

关于费曼,有个流行最广的关于智商碾压的段子,说的是第一颗原子弹爆炸,闪光过后,费曼淡定的走出来,扔出一把纸屑,看了看纸屑飘落的距离,然后直接报出了爆炸的当量,跟最后多种仪器测量的结果比起来,误差可以忽略不计。

费曼最早设想了制造分子机器的可能性,当然,最早的分子锁链的报告,应该在上世纪五六十年代就出现了,不过有据可考的最早分子机器的论文,应该来自高卢的让.皮埃尔.萨维奇。

“所以,咱们从1983年他的论文开始,收集所有这个领域的论文”,王一男说。

“当我们把分子作为原材料,各种金属离子作为粘合剂,指定色谱的光照,或者指定的电流,或者指定的温度作为条件输入”,

“使用哥德尔系统在这个受限制的形式化领域进行分析”,

“只要数据足够,我们可以得到制造指定结构分子机器的办法,比如说使用的金属离子,动力来源,以及所形成结构的各种特性”。

“更进一步,如果我们将这些结构组合编码,就可以让分子机器执行我们想要让他们执行的指令。”

李文静也明白了,“也就是说我们选择好基础材料和粘合剂,施加一定的外部程序,比如说加热到54.3摄氏度,使用波长436纳米的蓝光照射25秒,再使用4.2伏特的直流电通电二十秒,再用波长400纳米的紫光照射20秒。。。。。。“

”一系列步骤之后,就可能获得我们期望的复杂分子结构“。

”完全正确“,王一男说,”更进一步,如果我们再去分析各种电极、电解质的电化学特性,跟他们的分子构型之间的关系“,

”我明白了“,李文静说,”我们就能让这些分子结构具有我们想要的电化学特性“。

”没那么简单“,王一男说,”电池使用的电极或者电解质材料,很少可以直接用来进行分子编织的“,

”但是,我们可以通过携带功能元素的办法,在形成复杂分子结构的同时,仍然具有我们期望的电化学功能“,李文静立刻跟上补充到。

王一男没好气的看了一眼李文静,”要不要那么聪明啊,你让我享受一下智商碾压的快感不行吗“。

”切,月圆之夜,紫禁之巅,叶孤城好歹也要有个西门吹雪做对手呢,没人理解你,难道不是很寂寞吗“。

“哎,我发现你也很自恋啊”,王一男说,

“你说我是叶孤城还是西门吹雪”,

“废话,我那么漂亮,西门吹雪肯定是我了”,

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