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97歲的“鋰電池之父”等三位科學家獲得2019年諾貝爾化學獎

來源: | 發布日期:2022-04-07

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北京時間2019年10月9日下午5點45分,2019年諾貝爾化學獎在斯德哥爾摩瑞典皇家科學院揭曉。 John Goodenough 教授、Stanley Whittingham 教授和 Akira Yoshino 博士因在鋰電池創造方面的開創性貢獻而獲得了今年的諾貝爾化學獎。

在過去的幾十年里,只有少數發明徹底改變了世界,而鋰電池在其中占有一席之地。舉個簡單的例子,如果您沒有鋰電池,您通常無法通過手頭的設備閱讀此新聞。

---為鋰電池的發展做貢獻---

Goodenough 首先發現了鈷酸鋰作為合適的正極材料,隨后又發現了錳基尖晶石和磷酸鐵鋰。吉野晃在確立了鋰離子電池的基本框架后,不斷提升其性能和安全性。

1979年,Goodenough發現鈷酸鋰適合作為正極材料,降低了現有鋰離子電池(以金屬鋰為正極材料)的安全隱患。吉野晃利用這一發現,首先使用聚乙炔,然后是碳基材料作為陽極,以消除電池中的金屬鋰,并使用含鋰化合物建立現代鋰離子電池的基本框架。 1991年,索尼將兩者聯合開發的鋰離子電池推向市場,標志著鋰離子電池的普遍應用。鋰離子電池通常廣泛應用于移動電子設備、電動汽車、太陽能等領域。而吉野明也因其在鋰離子電池領域的成就成為日本第8位獲得諾貝爾化學獎的科學家、第24位獲得諾貝爾自然科學獎的日本科學家。這位科學家(包括兩名美國人)。

---獲獎者簡介---

約翰·本寧斯特·古迪納夫

1922年7月25日,古迪納夫教授出生在德國,現年97歲。 1943年獲耶魯大學數學學士學位。二戰后,古迪納夫于 1952 年獲得芝加哥大學物理學博士學位。1952 年至 1976 年,古迪納夫在麻省理工學院的林肯實驗室工作,專注于記憶的材料物理研究。 1976 年,Goodenough 加入牛津大學,擔任教授和無機化學研討會負責人。自 1986 年以來,Goodenough 一直擔任德克薩斯大學奧斯汀分校的教授,繼續從事能源數據研究。

吉野明

1948年1月30日,吉野明教授出生于日本大阪,現年71歲。吉野教授1970年畢業于京都大學工學部石油化學系,1972年獲得工學碩士學位,2005年獲得大阪大學工學博士學位。1972年,吉野明加入旭化成工業株式會社., Ltd.,并于 1994 年擔任 AT&T 技術開發部總監。 1997年任旭化成工業株式會社離子二次電池事業推進室主任。2005年起任旭化成工業株式會社吉野研討室主任。

惠廷厄姆

Whittingham教授目前在美國賓厄姆頓大學東北化學儲能中心(NECCES)和能源前沿研究中心(EFRC)工作。他和John B. Goodenough在鋰電池領域取得了開創性研究,并被湯森路透預測為2015年諾貝爾化學獎的候選人。

1971 年被 Whittingham 教授收購2004年ECS電化學學會青年學者獎,2004年ECS電化學學會電池研究獎,2006年年中入選ECS電化學學會,以表彰他對鋰電池科學與技術的貢獻。

- 冠軍傳奇 -

Goodenough 的一生充滿傳奇色彩。他既是一位寫生活的科學家,也是一位虔誠的基督徒。他被公認為“鋰離子電池之父”,但他幾乎沒有從他的創作中獲利。他從小熱愛文學和哲學,但最終以優異的成績畢業于耶魯大學數學系。

當古迪納夫計劃學習物理學時,第二次世界大戰爆發了。古迪納夫參軍并擔任航空部隊的氣候專家。戰后,他決定繼續攻讀物理學。盡管一些教授認為他在這個年紀很難在物理學領域取得成就,但古迪納夫并沒有氣餒。獲得博士學位后。在固態物理學方面,他曾在林肯實驗室工作。在那里,他發現了目前鐵氧體磁芯的巧合記憶功能——電子計算機記憶技術的基礎。

在林肯實驗室工作期間,Goodenough 接觸了一些能源并研究了鋰離子的運動。當時正趕上美國對阿拉伯國家石油禁運的影響,能源問題日益突出。古迪納夫決定投身于鋰電池的研究,一次偶然的機會,來到牛津大學擔任無機化學教授。

看來,Goodenough 似乎已經晚了一步:可充電鋰電池曾經是由英國化學家 Whittingham 發明的。但是這種電池在充放電過程中容易著火爆炸,應用起來比較困難。 Goodenough 相信他可以制造出更高效、更安全的鋰離子電池。經過反復實驗計算,他發現鈷酸鋰比原來使用的硫化鈦更合適。儲存鋰離子。

在世界的另一端,吉野明也在絞盡腦汁攻克鋰離子電池的難題。他找到了合適的陽極材料,但沒有合適的陰極材料——直到他閱讀了 Goodenough 的論文。 Akira Yoshino 回憶說:“他的發現給了我所需的一切。鈷酸鋰效果很好,可以將現有鋰鎘電池的重量減少三分之一。”

吉野明設計的鋰離子電池采用碳基材料作為陽極,鈷酸鋰作為陰極,徹底去除了電池中的金屬鋰,提高了安全性。這種技術范式確立了鋰離子電池的基本概念

為了改良鋰離子電池性能,吉野彰又對鋰離子電池停止了屢次技術改進,例如采用鋁箔做集流體,用聚乙烯薄膜做離子隔閡,對鋰離子電池的電解質改良,使其可以提供更高的電壓。
    1991年,兩人協作創造的鋰離子電池被索尼公司推向市場,標志著鋰離子電池的大范圍運用。兩人也因而結下了深沉友誼。爾后,吉野彰每年都會去德州訪問古迪納夫。回憶歷史,吉野彰表示:“電池技術是復雜又艱難的學科穿插范疇,它的開展需求多方面的專家。在我看來,鋰離子電池是集體聰慧的成果。”
    97歲高齡的古迪納夫依然在繼續從事能源方面的研討。古迪納夫希望能研發出高能量密度、高平安性的固態電池,從而處理人類潛在的能源危機。他說:“我想在逝世前處理這個問題,我才九十多歲,還有時間。”

---鋰離子電池的發展---
電池:時代一度的棄兒

    鋰電池是怎樣降生的呢?這還要從1960年代說起。當時,電池并不是什么新穎玩意兒。大家早就曉得電池需求有兩個電極,電極之間需求有電解質,讓離子挪動。電池的兩個電極分別叫做陰極和陽極。在電池放電時,帶正電的離子會從陽極跑到陰極,產生電流。

    不可思議,用于兩個電極與電解質的資料,決議了電池的性能。為了改造電池,科學家們需求嘗試各種不同的資料。這看上去是一件單調的事,也沒有幾人愿意投身其中。

推出T型車的福特公司,無意中激起了研討電池的熱潮
    但是1966年,福特公司徹底改動了這個狀況。在推出了著名的T型車后,福特公司決議投資電力驅動的汽車。為了提供車輛行駛的能源,福特公司方案開發一種新的電池,貯存的能量要是原先的15倍之多。按想象,這種新電池每次只需求充電1小時,就能駕駛322公里,聽起來十分吸收人。
    從如今看,福特公司的豪言并沒有真正兌現。但這卻在當時激起了一股研討電池的熱潮。“一霎時,一切的事情都改動了,電池不再是單調乏味的范疇”,Goodenough教授回想說。這股對電池的狂熱不斷持續到了70年代:在石油危機的影響下,人們越發置信,電力驅動才是將來。
鋰電池的降生
    而鋰電池就是人們提出的新型電池之一。當時任職于Exxon公司的Whittingham博士造出了鋰電池的雛形。他指出,二硫化鈦與鋰有望成為一種全新的電池系統。這兩者之間的電化學反響十分疾速,且在環境溫度下是可逆的。這標明我們能夠給這種電池充電。在1976年的一篇《科學》論文中,Whittingham博士指出二硫化鈦是能作為陰極的新一代固體資料。
    但鋰電池的雛形并沒有得到普遍應用,這背后有著多種緣由。首先,二硫化鈦太貴了(當時售價每公斤1000美圓),不合適作為電池的資料。其次,在與空氣接觸后,二硫化鈦也會產生硫化氫。這種分子不只具有惡臭氣息,還對動物有毒性。此外,金屬鋰制成的電極十分生動,容易帶來起火或爆炸等平安隱患。思索再三,Exxon公司決議放棄這款鋰電池的研發方案。
    但其他科學家們并沒有放棄此類新型電池。既然問題出在電極的資料上,或許交換電極就能處理問題。1980年,Goodenough教授的團隊做出打破。他們發現鋰的金屬氧化物或許能成為鋰電池的電極。一方面,它仍然能釋放鋰離子;另一方面,它更為穩定,沒有平安隱患。在當年的《Materials Research Bulletin》雜志上,他的團隊標明鈷酸鋰(LiCoO2)能成為鋰電池的陰極資料。時至今日,我們照舊在運用這種資料制造鋰電池。
鋰電池的結構示意圖
    而電池另一極的研發則略微遇到了些迂回。同樣是在1980年,一些科學家指出,石墨或許能成為鋰電池的陽極資料。但是電池中的一些可溶分子會插入到石墨的碳構造中,形成毀壞。而吉野彰博士與其同事則運用聚乙炔(polyacetylene)作為陽極資料,一舉獲得了勝利。1985年,應用鈷酸鋰和聚乙炔,吉野彰博士制造出了第一塊現代鋰電池。1991年,索尼與旭化成株式會社共同推出了第一塊商業化的鋰電池。一個嶄新的時期到來了。
    自那時起,這三人就不斷被視為諾貝爾化學獎的有力競爭者,卻屢屢與獲獎無緣。往常,間隔這些科學家們的創新創造,曾經過去了30多年。而今日授予他們的諾貝爾化學獎,也是對他們為這世界所作嚴重改動的最佳認可!

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【本文標簽】 97歲的“鋰電池之父”等三位科學家獲得2019年諾貝爾化學獎

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