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三次锂电池革命 美日三位科学家分获诺贝尔化学奖

(原标题:三次锂电池革命 美日三位科学家分获诺贝尔化学奖)

  摘要:将三位今年诺贝尔化学奖获得者的成就连在一起,仿佛就是一部锂基电池的“进化史”。生于1922年的古迪纳夫今年已97岁高龄,是迄今为止年龄最大的诺贝尔奖获得者。

▲当地时间2019年10月9日,瑞典斯德哥尔摩,诺奖委员会宣布,今年诺贝尔化学奖授予美国学者约翰·B·古迪纳夫、斯坦利·惠廷汉和日本学者吉野彰,以表彰他们为锂离子电池的发展做出的贡献。

  2019年诺贝尔化学奖揭晓,今年的焦点是化学元素“锂”(Li)。瑞典斯德哥尔摩当地时间10月8日中午11时45分(北京时间17时45分),诺奖委员会宣布,今年诺贝尔化学奖授予美国学者约翰·B·古迪纳夫(John B. Goodenough)、斯坦利·惠廷汉(M. Stanley Whittingham)和日本学者吉野彰(Akira Yoshino),以表彰他们为锂离子电池的发展做出的贡献。“他们创造了一个可以充电的世界(They created a rechargeable world)”,瑞典皇家科学院发布的诺奖官方资讯稿称。

  值得一提的是,生于1922年的古迪纳夫今年已97岁高龄,是迄今为止年龄最大的诺贝尔奖获得者,此前最年长的获奖者是去年获得诺贝尔物理学奖的同为1922年出生的阿瑟·阿什金(Arthur Ashkin),获奖时96岁。

  锂离子电池效率高、重量轻,还可以反复充电,人们的现代生活中,小到手机和笔记本电脑,大到电动汽车,锂离子电池无处不在发挥作用。然而,锂电池的发展却并不一帆风顺,它克服了很多化学方面的挑战。自意大利物理学家亚历山德·罗沃尔塔(Alessandro Volta)在1800年左右发明电池以来,特别是锂基电池的发展成为了科学界公认的难题。如今还有不少人依赖着19世纪中叶发明的铅酸电池。

  将三位今年诺贝尔化学奖获得者的成就连在一起,仿佛就是一部锂基电池的“进化史”:20世纪70年代初,惠廷汉发明了第一个功能性锂电池,他利用锂金属本身的巨大驱动力释放外层电子,电池电压为2伏;1980年,古迪纳夫证明了嵌入锂离子的钴氧化物可以产生高达4伏的电压,将电池的潜力翻了一番;1985年,吉野彰成功地用锂离子替换掉了负极(阳极)材料中的金属锂,使得电池更安全。

  锂电池的诞生背景是在上世纪70年代的石油危机期间。彼时,美国石油巨头埃克森(Exxon)企业迫切想找到化石燃料的替代品,便招募了能源领域最顶尖的科学家们来解决这一问题,惠廷汉正是1972年从斯坦福大学被招募前往埃克森的研究人员之一。在那里,惠廷汉开始研究超导体,其中包括能够嵌入锂离子的二硫化钽。他观察到钾离子与二硫化钽之间的作用可以产生几伏电压。但由于钽是一种比较重的金属,随后他将二硫化钽替换为了更轻量的二硫化钛,作为电池的正极(阴极)材料。

  另一方面,在电池中,电子应该从负极(阳极)流向正极(阴极)。因此,负极(阳极)应该包含一种容易释放电子的材料,而在所有元素中,锂是最活泼的金属元素,因此锂成为电池负极材料的不二之选。惠廷汉发明的电池电压为2伏,超过了当时市面上所有的电池。

  在同一时期,古迪纳夫也深受石油危机的影响。他知道了惠廷汉发明出的革命性的电池,但是古迪纳夫的直觉认为,如果使用金属氧化物而不是金属硫化物作为正极(阴极)材料,可能具有更大的潜力。随后,他的研究团队开始寻找一种特殊的金属氧化物,这种金属氧化物在嵌入锂离子时会产生高电压,但在离子流走时不会崩解。

  正确的判断可以事半功倍,古迪纳夫意识到电池不必像传统那样在充满电的情况下送到市场上。相反,人们可以在拿到电池之后自行充电。很快,古迪纳夫的研究团队发现,用钴氧化物作为正极(阴极)材料制造出的钴酸锂电池可以产生4伏电压。1980年,古迪纳夫公布了他发现的这种正极(阴极)材料,不仅重量很轻,而且功能强大。这也是无线革命。作为钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂正极材料的发明人,古迪纳夫亦被业界称为“锂电之父”。

  解决了效率问题,作为一件要走进千家万户的工具,使用时的安全性又成为了科学家要攻克的难题。负极(阳极)材料的金属锂,在化学元素周期表中排第3位,其重量之轻和化学性质之活泼大大提升了电池的效率,但其活泼的化学性质也使得电池极其容易爆炸,大规模投入使用存在极大的风险。

  在太平洋另一边,日本的电子产品企业蓬勃发展,这些企业迫切地需要轻便的可充电电池,从而为摄像机、无绳电话和计算机等新型电子设备供电。当吉野彰决定开发可以大规模投入使用的可充电电池时,他选择了以古迪纳夫的钴氧化物材料作为正极(阴极)材料,并转而尝试用各种碳基材料作为电池的负极(阳极)材料。

  此前有研究表明,锂离子可以嵌入石墨的分子层中,但石墨会被电池的电解质破坏。吉野彰创造性地使用了一种石油行业的副产品——石油焦,作为锂离子嵌入的材料。这种电池稳定、轻巧、容量大,并且能实打实地产出4伏电压。此后,以针状石油焦为代表的优质石油焦具有低热膨胀系数、低空隙度、低硫、低金属含量、高导电率及易石墨化等一系列优点,被视为优质的锂离子电池负极材料原料。

  锂离子电池的最大优点是锂离子嵌入在电极中,当锂离子电池充电或使用时,离子在电极之间流动,不会周围环境发生反应。这也就意味着电池寿命长,在报废之前可以反复充电数百次。同时,充电电池意味着电力可以即时储存,来自太阳能和风能等一次能源产生的能量可以被储存起来。与传统化石燃料相比,太阳能和风能等清洁能源具有间歇性的缺点,需要“看天吃饭”,这使得储能成为关键。

  “自1991年问世以来,锂离子电池深刻地改变了人类的生活。这三位科学家的工作,为无线社会和零化石燃料的未来打下了基础,为人类社会做出了巨大的贡献。” 瑞典皇家科学院发布的诺奖官方资讯稿中这样评价三位科学家的贡献。

  获奖者简历:

  约翰·B·古迪纳夫(John B. Goodenough),1922年出生于德国杰纳(Jena),1943年,古迪纳夫在耶鲁大学获得数学系学士学位,1952年在美国芝加哥大学获得物理学博士学位。1952到1976年,古迪纳夫在MIT的林肯实验室工作,主要进行关于内存的材料物理研究。1976年,古迪纳夫进入牛津大学任教授并作为无机化学研究负责人。1986年起,古迪纳夫在美国德克萨斯大学奥斯汀分校担任教授,继续从事能源材料的研究,现任该校工程系主任。

  斯坦利·惠廷汉(M. Stanley Whittingham),1941年出生于英国,1968年博士毕业于英国牛津大学,1971年,他获得 ECS 电化学学会颁发的青年学者奖;2004年获得 ECS 电化学学会颁发的电池研究奖。现任纽约州立大学宾汉顿大学教授。

  吉野彰(Akira Yoshino),1948年生于日本大阪。1972年,吉野彰进入日本东京旭化成(Asahi KASEI)工业株式会社;2005年,他获得大阪大学工学博士学位,并于同年担任旭化成工业株式会社吉野研究室室长。现任旭化成工业株式会社的名誉研究员、日本名城大学教授。

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