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97岁的“锂电池之父”等三位科学家获得2019年诺贝尔化学奖

来源: | 发布日期:2022-04-07

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北京时间2019年10月9日下午5点45分,2019年诺贝尔化学奖在斯德哥尔摩瑞典皇家科学院揭晓。 John Goodenough 教授、Stanley Whittingham 教授和 Akira Yoshino 博士因在锂电池创造方面的开创性贡献而获得了今年的诺贝尔化学奖。

在过去的几十年里,只有少数发明彻底改变了世界,而锂电池在其中占有一席之地。举个简单的例子,如果您没有锂电池,您通常无法通过手头的设备阅读此新闻。

---为锂电池的发展做贡献---

Goodenough 首先发现了钴酸锂作为合适的正极材料,随后又发现了锰基尖晶石和磷酸铁锂。吉野晃在确立了锂离子电池的基本框架后,不断提升其性能和安全性。

1979年,Goodenough发现钴酸锂适合作为正极材料,降低了现有锂离子电池(以金属锂为正极材料)的安全隐患。吉野晃利用这一发现,首先使用聚乙炔,然后是碳基材料作为阳极,以消除电池中的金属锂,并使用含锂化合物建立现代锂离子电池的基本框架。 1991年,索尼将两者联合开发的锂离子电池推向市场,标志着锂离子电池的普遍应用。锂离子电池通常广泛应用于移动电子设备、电动汽车、太阳能等领域。而吉野明也因其在锂离子电池领域的成就成为日本第8位获得诺贝尔化学奖的科学家、第24位获得诺贝尔自然科学奖的日本科学家。这位科学家(包括两名美国人)。

---获奖者简介---

约翰·本宁斯特·古迪纳夫

1922年7月25日,古迪纳夫教授出生在德国,现年97岁。 1943年获耶鲁大学数学学士学位。二战后,古迪纳夫于 1952 年获得芝加哥大学物理学博士学位。1952 年至 1976 年,古迪纳夫在麻省理工学院的林肯实验室工作,专注于记忆的材料物理研究。 1976 年,Goodenough 加入牛津大学,担任教授和无机化学研讨会负责人。自 1986 年以来,Goodenough 一直担任德克萨斯大学奥斯汀分校的教授,继续从事能源数据研究。

吉野明

1948年1月30日,吉野明教授出生于日本大阪,现年71岁。吉野教授1970年毕业于京都大学工学部石油化学系,1972年获得工学硕士学位,2005年获得大阪大学工学博士学位。1972年,吉野明加入旭化成工业株式会社., Ltd.,并于 1994 年担任 AT&T 技术开发部总监。 1997年任旭化成工业株式会社离子二次电池事业推进室主任。2005年起任旭化成工业株式会社吉野研讨室主任。

惠廷厄姆

Whittingham教授目前在美国宾厄姆顿大学东北化学储能中心(NECCES)和能源前沿研究中心(EFRC)工作。他和John B. Goodenough在锂电池领域取得了开创性研究,并被汤森路透预测为2015年诺贝尔化学奖的候选人。

1971 年被 Whittingham 教授收购2004年ECS电化学学会青年学者奖,2004年ECS电化学学会电池研究奖,2006年年中入选ECS电化学学会,以表彰他对锂电池科学与技术的贡献。

- 冠军传奇 -

Goodenough 的一生充满传奇色彩。他既是一位写生活的科学家,也是一位虔诚的基督徒。他被公认为“锂离子电池之父”,但他几乎没有从他的创作中获利。他从小热爱文学和哲学,但最终以优异的成绩毕业于耶鲁大学数学系。

当古迪纳夫计划学习物理学时,第二次世界大战爆发了。古迪纳夫参军并担任航空部队的气候专家。战后,他决定继续攻读物理学。尽管一些教授认为他在这个年纪很难在物理学领域取得成就,但古迪纳夫并没有气馁。获得博士学位后。在固态物理学方面,他曾在林肯实验室工作。在那里,他发现了目前铁氧体磁芯的巧合记忆功能——电子计算机记忆技术的基础。

在林肯实验室工作期间,Goodenough 接触了一些能源并研究了锂离子的运动。当时正赶上美国对阿拉伯国家石油禁运的影响,能源问题日益突出。古迪纳夫决定投身于锂电池的研究,一次偶然的机会,来到牛津大学担任无机化学教授。

看来,Goodenough 似乎已经晚了一步:可充电锂电池曾经是由英国化学家 Whittingham 发明的。但是这种电池在充放电过程中容易着火爆炸,应用起来比较困难。 Goodenough 相信他可以制造出更高效、更安全的锂离子电池。经过反复实验计算,他发现钴酸锂比原来使用的硫化钛更合适。储存锂离子。

在世界的另一端,吉野明也在绞尽脑汁攻克锂离子电池的难题。他找到了合适的阳极材料,但没有合适的阴极材料——直到他阅读了 Goodenough 的论文。 Akira Yoshino 回忆说:“他的发现给了我所需的一切。钴酸锂效果很好,可以将现有锂镉电池的重量减少三分之一。”

吉野明设计的锂离子电池采用碳基材料作为阳极,钴酸锂作为阴极,彻底去除了电池中的金属锂,提高了安全性。这种技术范式确立了锂离子电池的基本概念

为了改良锂离子电池性能,吉野彰又对锂离子电池停止了屡次技术改进,例如采用铝箔做集流体,用聚乙烯薄膜做离子隔阂,对锂离子电池的电解质改良,使其可以提供更高的电压。
    1991年,两人协作创造的锂离子电池被索尼公司推向市场,标志着锂离子电池的大范围运用。两人也因而结下了深沉友谊。尔后,吉野彰每年都会去德州访问古迪纳夫。回忆历史,吉野彰表示:“电池技术是复杂又艰难的学科穿插范畴,它的开展需求多方面的专家。在我看来,锂离子电池是集体聪慧的成果。”
    97岁高龄的古迪纳夫依然在继续从事能源方面的研讨。古迪纳夫希望能研发出高能量密度、高平安性的固态电池,从而处理人类潜在的能源危机。他说:“我想在逝世前处理这个问题,我才九十多岁,还有时间。”

---锂离子电池的发展---
电池:时代一度的弃儿

    锂电池是怎样降生的呢?这还要从1960年代说起。当时,电池并不是什么新颖玩意儿。大家早就晓得电池需求有两个电极,电极之间需求有电解质,让离子挪动。电池的两个电极分别叫做阴极和阳极。在电池放电时,带正电的离子会从阳极跑到阴极,产生电流。

    不可思议,用于两个电极与电解质的资料,决议了电池的性能。为了改造电池,科学家们需求尝试各种不同的资料。这看上去是一件单调的事,也没有几人愿意投身其中。

推出T型车的福特公司,无意中激起了研讨电池的热潮
    但是1966年,福特公司彻底改动了这个状况。在推出了著名的T型车后,福特公司决议投资电力驱动的汽车。为了提供车辆行驶的能源,福特公司方案开发一种新的电池,贮存的能量要是原先的15倍之多。按想象,这种新电池每次只需求充电1小时,就能驾驶322公里,听起来十分吸收人。
    从如今看,福特公司的豪言并没有真正兑现。但这却在当时激起了一股研讨电池的热潮。“一霎时,一切的事情都改动了,电池不再是单调乏味的范畴”,Goodenough教授回想说。这股对电池的狂热不断持续到了70年代:在石油危机的影响下,人们越发置信,电力驱动才是将来。
锂电池的降生
    而锂电池就是人们提出的新型电池之一。当时任职于Exxon公司的Whittingham博士造出了锂电池的雏形。他指出,二硫化钛与锂有望成为一种全新的电池系统。这两者之间的电化学反响十分疾速,且在环境温度下是可逆的。这标明我们能够给这种电池充电。在1976年的一篇《科学》论文中,Whittingham博士指出二硫化钛是能作为阴极的新一代固体资料。
    但锂电池的雏形并没有得到普遍应用,这背后有着多种缘由。首先,二硫化钛太贵了(当时售价每公斤1000美圆),不合适作为电池的资料。其次,在与空气接触后,二硫化钛也会产生硫化氢。这种分子不只具有恶臭气息,还对动物有毒性。此外,金属锂制成的电极十分生动,容易带来起火或爆炸等平安隐患。思索再三,Exxon公司决议放弃这款锂电池的研发方案。
    但其他科学家们并没有放弃此类新型电池。既然问题出在电极的资料上,或许交换电极就能处理问题。1980年,Goodenough教授的团队做出打破。他们发现锂的金属氧化物或许能成为锂电池的电极。一方面,它仍然能释放锂离子;另一方面,它更为稳定,没有平安隐患。在当年的《Materials Research Bulletin》杂志上,他的团队标明钴酸锂(LiCoO2)能成为锂电池的阴极资料。时至今日,我们照旧在运用这种资料制造锂电池。
锂电池的结构示意图
    而电池另一极的研发则略微遇到了些迂回。同样是在1980年,一些科学家指出,石墨或许能成为锂电池的阳极资料。但是电池中的一些可溶分子会插入到石墨的碳构造中,形成毁坏。而吉野彰博士与其同事则运用聚乙炔(polyacetylene)作为阳极资料,一举获得了胜利。1985年,应用钴酸锂和聚乙炔,吉野彰博士制造出了第一块现代锂电池。1991年,索尼与旭化成株式会社共同推出了第一块商业化的锂电池。一个崭新的时期到来了。
    自那时起,这三人就不断被视为诺贝尔化学奖的有力竞争者,却屡屡与获奖无缘。往常,间隔这些科学家们的创新创造,曾经过去了30多年。而今日授予他们的诺贝尔化学奖,也是对他们为这世界所作严重改动的最佳认可!

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