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2019年諾貝爾化學獎揭曉,Goodenough等三人獲獎,鋰電池開啟電子設備便攜化進程

來源(化學加(ID:tryingchem))   2019-10-14
導讀:當地時間10月9日,瑞典皇家科學院在斯德哥爾摩宣布,將2019年諾貝爾化學獎頒發給3位科學家,分別為美國科學家約翰·B·古迪納夫(John B. Goodenough)、英國科學家M·斯坦利·威廷漢(M. Stanley Whittingham )以及日本科學家吉野彰(Akira Yoshino),以表彰他們在鋰離子電池方面的研究成果。
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當前,鋰離子電池在全球范圍內用于為便攜式電子設備供電。我們使用這些便攜式電子設備進行通訊、工作、學習、聽音樂和尋找知識。鋰電池還促進了遠程電動汽車的開發以及來自可再生能源(例如太陽能和風能)的能量存儲?,F在,這種輕巧、可充電且功能強大的電池已用于從手機到筆記本電腦和電動車的所有產品。它還可以存儲來自太陽能和風能的大量能量,從而使無化石燃料社會成為可能。
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三位科學家是如何共同“發明”鋰電池的?
據諾貝爾獎官網介紹,鋰離子電池的基礎是在1970年代的石油危機期間奠定的。M·斯坦利·威廷漢(M. Stanley Whittingham )致力于開發可能導致無化石燃料的能源技術的方法。
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他開始研究超導體,并發現了一種能量非常豐富的材料,他將其用于在鋰電池中創建創新的陰極。它是由二硫化鈦制成的,該二硫化鈦在分子水平上具有可以容納(嵌入)鋰離子的空間。電池的陽極部分由金屬鋰制成,金屬鋰具有強烈的釋放電子的動力。這產生了一個電池,實際上具有很大的潛力,剛好超過2伏。但是,金屬鋰具有反應性,電池爆炸性太大,無法使用。
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約翰·B·古迪納夫(John B. Goodenough)預測,如果使用金屬氧化物而不是金屬硫化物制成陰極,則陰極將具有更大的潛力。經過系統的搜索,他在1980年證明了嵌入了鋰離子的氧化鈷可以產生多達4伏的電壓。這是一項重要的突破,將帶來更強大的電池。
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野彰(Akira Yoshino)以Goodenough的陰極為基礎,于1985年創建了首個商業上可行的鋰離子電池。他沒有在陽極中使用反應性鋰,而是使用了石油焦炭,這種碳材料像陰極的氧化鈷一樣可以嵌入鋰離子中。 結果是重量輕,堅固耐用的電池,在其性能下降之前可以充電數百次。鋰離子電池的優點在于,它們不是基于分解電極的化學反應,而是基于鋰離子在陽極和陰極之間來回流動。
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約翰·B·古迪納夫(John B. Goodenough),美國德州大學奧斯汀分校機械工程系教授,鋰電池之父,美國科學院和工程院兩院院士,曾獲2001年 Japan Prize,2009年 Fermi Award,2011年美國國家科學獎章 和2014年Charles Stark Draper Prize。老爺子出生于1922年7月25日,二戰老兵,本科畢業于耶魯大學數學系,芝加哥大學物理博士,楊振寧先生的同學。如今以97歲高齡,仍然堅持研究工作,尋找下一個超級電池。
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M·斯坦利·威廷漢(M. Stanley Whittingham ),紐約州立大學Binghamton 分?;瘜W和材料科學與工程教授,鋰電池研究先驅。1941年出生,本科、碩士和博士均畢業于牛津大學。加入Binghamton之前,長期在石油公司Exxon工作,從事電池研發。
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吉野彰 (Akira Yoshino),1948年生于日本。1972年吉野彰畢業于京都大學大學院工學研究專業。智能手機和電動汽車使用的鋰離子電池的開發者、旭化成公司研究員,旭化成株式會社吉野研究室室長,還是京都大學大學院工學研究專業特命教授。


鋰電池開啟電子設備便攜化進程

諾貝爾獎最高齡得主誕生

今天在揭曉諾貝爾化學獎的同時,還誕生了一個諾貝爾之最——97歲的古迪納夫成為諾貝爾獎最高齡得主,力壓2018年諾貝爾物理學家亞瑟·阿什金(Arthur Ashkin)(獲獎時享年96歲)。他在今年6月接受泰晤士報專訪時透露他仍在從事電池工作,雖然不知道自己什么時候會“被帶走”,但當下他仍有兩個愿望,其一是能看到自己所帶的博士生順利畢業,其二是能在有生之年看到自己的研究能第二次改變世界。在諾貝爾化學獎揭曉之前,有猜測認為古迪納夫或將獲獎。

古迪納夫目前為美國德州大學奧斯汀分校,機械工程系教授,著名固體物理學家,是鈷酸鋰、錳酸鋰和磷酸鐵鋰正極材料的發明人,鋰離子電池的奠基人之一。他使鋰電池體積更小、容積更大、使用方式更穩定,從而實現商業化,同時開啟了電子設備便攜化進程,可以說是名副其實的鋰電池之父!1991年,古迪納夫的理論被索尼公司采用,成功制造出了世界上第一款商用鋰電池,它的實際應用,使得攜帶式電子設備(如移動電話、筆記型電腦)的重量和體積大大減小,使用時間大大延長。自此手機、照相機、筆記本電腦乃至電動汽車等領域各自步入了便攜式新能源時代。

斯坦利·惠廷厄姆1941年出生于英國諾丁漢。在1964-1968年間,他于牛津大學接受化學教育,并取得學士、碩士與博士學位。他最早提出鋰離子電池的概念,并采用硫化鈦作為正極材料,金屬鋰作為負極材料,制成世界上第一塊鋰離子電池。

吉野彰(Yoshino Akira),1948年出生于日本大阪,現任旭化成研究員、名城大學教授。吉野是現代鋰離子電池的發明者,曾獲得工程學界最高榮譽全球能源獎與查爾斯·斯塔克·德雷珀獎。

現場連線吉野彰:好奇心是主要動力

吉野彰在接受現場連線時說:“我從1981年開始研究鋰離子電池,并于1985年發明了鋰離子電池” ,當被問及是什么驅使吉野研究鋰離子電池時,他表示好奇心是其主要動力。但由于現場連線的信號不是很好,這次的通話并沒有持續很長的時間。

約蘭·漢森在接受本網專訪時說,鋰離子電池系統的構建和發展離不開這三位科學家的貢獻,他們在鋰離子電池研發所做的重大突破,為我們打開了可持續發展世界的大門。“如今,我們今天面臨著氣候變化的巨大問題,其中很大一部分是燃燒化石燃料所帶來的。而鋰離子電池技術讓我們從化石燃料驅動轉向電能驅動,這使得社會往更環保的方向發展,而人類無疑是最大的受益者。我們認為這個獎項是符合諾貝爾獎的精神的。”他說,他已經致電了吉野彰和惠廷厄姆,他們聽到自己獲得諾貝爾化學獎時很高興,惠廷厄姆甚至喊了一聲“YES”,他們都表示會出席12月在斯德哥爾摩舉行的諾貝爾頒獎典禮。不過遺憾的是,由于時差原因,諾貝爾委員會還沒聯系上在美國德克薩斯州的古迪納夫。據相關人士透露,古迪納夫并沒有在美國,之所以錯過了諾貝爾電話是因為他去了英國皇家學會領取科普利獎,就在今晚。

鋰離子電池 從概念到商業化

這三個獲獎者在鋰離子電池的開發中都起著至關重要的作用。20世紀70年代的石油危機期間導致能源問題日益突出,當時起便有一群科學家努力開發新能源。斯坦利·惠廷漢姆在開發第一款款功能性鋰電池時,他利用鋰的巨大動力來釋放其外部電子,但這種電池在充放電的過程中容易起火爆炸。約翰·巴尼斯特·古迪納夫經過反復實驗計算,他發現鈷酸鋰是比原先使用的硫化鈦更適合儲存鋰離子,他將鋰電池的電勢提高了一倍,為更強大、更有用的電池創造了合適的條件。吉野彰借助古迪納夫的理論,成功地從電池中去除了純鋰,取而代之的是將其完全基于比純鋰更安全的鋰離子。這使得電池可以投入到實際到生產應用中。1991年,古迪納夫和吉野彰合作發明的鋰離子電池被索尼公司成功推向了市場,標志著鋰離子電池的大規模使用,它的商業化生產使得攜帶式電子設備(如移動電話、筆記型電腦)的重量和體積大大減小,使用時間大大延長。自此人們的生活進入了一個新的能源使用時代。有意思的是,兩人也因此結下了深厚友誼,吉野彰每年都會去德州拜訪古迪納夫。吉野彰表示:“電池技術是復雜又困難的學科交叉領域,它的發展需要多方面的專家。在我看來,鋰離子電池是集體智慧的成果。

鋰離子電池是第一塊真正意義上的輕質電池,為便攜式電子設備(如手機、平板電腦、起搏器)的產生鋪平了道路,甚至電動汽車、航天業也離不開它。鋰離子電池作為當今世界最主要的便攜式能量源,自1991年首次進入市場以來,徹底改變了我們的生活。它們奠定了無線、無石化燃料社會的基礎,可以說如果沒有鋰電池,就不會有如今我們所能享受到的一切便攜式設備。今天,鋰電池產業已經接近年產幾十億美元,為人類的日?;顒犹峁﹦恿?。鋰電池還曾和晶體管一起被視作電子工業中最偉大的發明,而晶體管的發明人巴丁已經榮獲諾貝爾獎。盡管鋰離子電池的誕生應用已有30年的歷史,但即使到今天,也沒有被更好的電池技術來取代它,鋰離子電池技術無疑是對現代人類日常生活最有影響力的材料科學之一。

今年諾貝爾化學獎三位科學家在鋰離子電池領域的開發,使得鋰離子電池在全球范圍內得到廣泛運用,從根本上改變了人們的日常生活,由于鋰離子電池中不含有重金屬鎘,與鎳鎘電池相比,大大減少了對環境的污染,他們更是為我們創造了一個綠色環保的世界,對人類可持續發展做出了杰出的貢獻。

最接地氣的一次化學獎

今年的諾貝爾化學獎被稱為最接地氣的一次,其研究成果是最接近我們日常生活的。鋰電池給人類生活帶來的便利就非常顯而易見,你此刻正拿著的手機、桌上的筆記本電腦、心臟起搏器等等這些便攜式電器,以及環保型交通工具代表—電動汽車,都離不開鋰離子電池。

諾貝爾化學獎不“化學”,從歷年諾貝爾化學獎得主名單中不難看出,諾貝爾化學獎“混搭”明顯,與其他自然科學領域并沒有明顯的界線。不少人的獲獎成就并非出自傳統的化學研究,而是涉及生物學、物理學等多重學科,因此諾貝爾化學獎也被調侃為“理科綜合獎”,還曾出現過“諾貝爾化學獎頒給物理學家、以獎勵他們的成果有益于生物學家”之類的情況。據統計,其中有17次諾貝爾化學獎頒給了生物學方面的成就。比如2017年的諾貝爾化學獎頒給了在冷凍電子顯微鏡術領域做出巨大貢獻的三位生物物理學家。2018年的諾貝爾化學獎頒給了在“進化控制”方面做出重要貢獻的三位生物學家。因此諾貝爾化學獎曾被不少科學家戲謔稱為“諾貝爾理科綜合獎”。

煎荷包蛋時為什么不會粘鍋?雨衣為什么能防水?光合作用是如何產生?是什么破壞了臭氧層?這些問題都能在化學獎得主的研究成果中找到答案。正是這些科學家的探索發現,從根本上改變了人們對世界的看法,也從根本上改變了人們的生活。

延伸閱讀:

諾貝爾化學獎趣聞

諾貝爾獎的創立者瑞典人阿爾弗雷德·諾貝爾本人就是一名化學家,曾發明硝化甘油炸藥。按照他的遺囑,諾貝爾化學獎旨在頒給化學方面有重要發現和取得重大成果的人。

與諾貝爾設立的其他獎項一樣,諾貝爾化學獎從1901年開始頒發,在沒有評出化學方面重大成果的年份則空缺獎項。直至2017年,諾貝爾化學獎出現過8次空缺,共計頒發109次,其中63次獲獎人數為1人,而獲獎人數為2人和3人的次數都是23次。

截至2018年,諾貝爾化學獎得主共計180人,其中有五名女性獲獎:瑪麗·居里(1911年)、伊雷娜·約里奧-居里(1935年)、多蘿西·克勞福特·霍奇金(1964年)、阿達·約納特(2009年)和弗朗西斯·阿諾德(2018年)。英國科學家弗雷德里克·桑格憑借基因測序技術兩次獲得這項殊榮。

從年齡上來看,諾貝爾化學獎得主獲獎時的平均年齡為58歲,其中最年長者是85歲獲獎的美國科學家約翰·芬恩,他因發明對生物大分子進行識別和結構分析的方法于2002年獲獎;最年輕的是于1935年獲獎的法國科學家弗雷德里奧·約里奧,在35歲時他與夫人伊雷娜·約里奧-居里共同獲獎,而這對“科研夫妻檔”就是著名的居里夫婦的女婿和女兒。

由于諾貝爾提名人選的保密期為50年,現階段公眾只能看到1901年至1966年的獎項提名資料。在這期間,諾貝爾化學獎的總提名人數為2931人,在諾貝爾自然科學類獎項中“陪跑”人數居中。(人民網 記者 李玫憶 實習生 方菁


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