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”,
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