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今年诺贝尔化学奖为何颁给了他们?

发布时间:2020-06-30文章来源: 浏览次数:

  2019109日,瑞典皇家科学院在斯德摩尔摩宣布,将本年度的诺贝尔化学奖授予美国固体物理学家约翰·巴尼斯特·古迪纳夫(John B. Goodenough),英国化学家斯坦利·威廷汉(Stanley Whittingham)和日本化学家吉野彰(Akira Yoshino),以表彰他们在开发锂离子电池方面作出的杰出贡献,三位科学家将平分诺贝尔化学奖奖金。 

2019年诺贝尔化学奖获得者 

(图片来源:https://www.nobelprize.org) 

    

  为什么是锂电池? 

  不同于前几年诺贝尔化学奖频频颁给大热的生物化学领域,今年的诺贝尔化奖授予了锂离子电池开发的三位科学家。那么,锂离子电池究竟有何过人之处呢?回顾过去六七十年间的科技飞跃,有两项发明对经济和社会发展影响深远。 

  第一项重大发明是于1947年诞生于贝尔实验室的晶体管。它的出现改变了电子产品的面貌,奠定了全球经济和现代文明的基础。而第二项重大的发明当属锂离子电池了。1991年索尼公司开始生产出了商业化的锂离子电池,由于它的普及,随后的电子产品逐渐拜别了依赖晶体管的笨重设备。与其他商业化的可充电电池比,锂离子电池由于具有能量密度高、循环寿命长、工作温度范围宽和安全高等优点,成为各国科学家努力研究的新方向。今天,锂离子电池为全世界提供着电力,从智能手机到电动汽车,锂离子电池无处不在。可以说如果没有锂离子电池,就不会有如今的便携式穿戴设备。因此,锂离子电池还曾和晶体管一起被视作电子工业中最伟大的发明,而晶体管的发明人约翰·巴丁(John Bardeen)早在1956年就因晶体管效应而荣获诺贝尔物理学奖。 

没有锂离子电池,就没有如今的便携式设备 

(图片来源:https://www.pexels.com 

    

  锂离子电池为什么能这么优秀? 

  锂离子电池是一种二次电池。所谓的二次电池,是区别于一次电池,即原电池(放电后不能再充电使其复原的电池),二次电池是可充电电池。 

  锂离子电池主要由正极、负极、电解液、隔膜、外电路等部分组成。其工作原理是依靠锂离子在正极和负极之间的移动来工作。在充电过程中,锂离子从正极材料中脱出,经过电解液传输至负极,电子由负极经外电路转移至正极;而在放电过程中,锂离子和电子的运动方向则与充电过程相反。在当前最常见的一种可反复充放电的锂离子电池中,正极是钴酸锂材料,负极是碳材料。 

  1912年,锂金属电池最早由吉尔伯特·牛顿·路易士(Gilbert N. Lewis)提出并研究,但由于金属锂的化学性质活泼,其加工、保存和使用对环境要求非常高,使得锂电池在很长一段时间内都没有得到应用。20世纪70年代,美国爆发石油危机,然而风能、太阳能等可再生能源存在间歇性,急需可充电电池储存能源。此时,宾汉姆顿大学化学教授斯坦利·惠廷厄姆(M. Stanley Whittingham)在纽约起草了锂电池的初始设计方案,采用硫化钛作为正极材料,金属锂作为负极材料,制成了首个新型锂电池。锂离子电池是由锂电池发展而来的,锂离子电池的概念始于1972年米歇尔阿曼德等提出的“摇椅式”电池。索尼公司将锂离子电池在1991年开始商业化生产,标志着锂离子电池时代的到来。经过世界各国科学家的努力,锂离子电池正在向更为高效安全的方向发展。 

  为什么是这三位科学家获奖? 

  世界上并不缺乏研究锂离子电池的科学家,那么为什么此次获奖的偏偏是John B. Goodenough Stanley WhittinghamAkira Yoshino呢? 

  商业化正极材料奠基人John B. Goodenough 

  约翰·巴尼斯特·古迪纳夫(John B. Goodenough),1922年出生于德国,目前为美国德州大学奥斯汀分校机械工程系教授,著名固体物理学家,是钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂正极材料的发明人,锂离子电池的奠基人之一,被誉为“锂离子电池之父”。1979Goodenough发现,将钴酸锂(LiCoO2)作为电池的阴极,将除锂之外的金属材料作为阳极,能够实现高密度的能量储存。这一发现为锂离子电池的发展铺平了道路,促成了可充电锂离子电池的广泛应用。1983年,GoodenoughM.Thackeray等人发现锰尖晶石是优良的电池阳极材料。锰尖晶石具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能。其分解温度高,且氧化性远低于钴酸锂,即使出现短路、过充电,也能够避免燃烧、爆炸的危险。1989年,GoodenoughA.Manthiram发现采用聚电解质(例如,硫酸盐)的阳极将产生更高的电压。此外,他还与日本学者金森顺次郎共同提出“古迪纳夫-金森法则”(Goodenough-Kanamori rules)。索尼在1991年基于Goodenough理论制作出了世界上第一款商用锂电池,从此手机、照相机、手持摄像机乃至电动汽车等领域各自步入了便携式新能源时代。值得一提的是,97岁高龄的Goodenough老爷子打破了诺奖最高龄得奖记录,在此之前,这个记录属于96岁高龄获得2018年诺贝尔物理学奖的阿瑟·阿什金。 

John B. Goodenough教授(图片来源:bing.com/images 

      嵌入原理的提出者,解决锂离子电池安全性问题Stanley Whittingham 

  斯坦利·威廷汉(Stanley Whittingham),1941年出生于英国,英裔美国化学家,现任纽约州立大学石溪分校化学系杰出教授,纽约州立大学宾厄姆顿分校化学教授、材料研究和材料科学与工程研究所主任、纽约电池和储能联合会(NYBEST)董事会副主席。2015年,Whittingham教授因在锂离子电池领域的开创性研究获得科睿维安化学领域引文桂冠奖。2018年因将插层化学应用在储能材料上的开创性贡献,当选美国国家工程院院士。 

  锂离子电池工作时发生的电化学反应容易使它爆炸。当过充时,电池可能会自燃。即使解决了有关爆炸的安全性问题,电池在反复工作过程中也会逐渐衰减。为了解决安全性问题,Whittingham教授提出了一种新的电池工作原理-嵌入,奠定了新式锂离子电池成功商业化的基础。在20世纪70年代,Whittingham教授就职于美国石油巨头Exxon公司并开发了第一代锂离子电池:以TiS2为正极,Li-Al合金为负极的基于锂离子嵌入式反应的二次电池。近几年,Whittingham课题组重点在研究一种新的锂电正极材料VOPO4,这种材料和已经产业化的LiFePO4类似,都是多阴离子过渡态金属化合物,比起传统的氧化物,它们具有优异的安全性能,价格也比使用CoLiCoO2NMCNCA要便宜很多。 

Stanley Whittingham教授(图片来源:bing.com/images 

  制备出第一个可充电锂离子电池原型Yoshino Akira 

  吉野彰(Yoshino Akira),1948年出生于日本大阪,自2015年至今担任旭化成(株)吉野研究室室长,日本化学家,现代锂离子电池(LIB)的发明者,曾获得工程学界最高荣誉全球能源奖与查尔斯·斯塔克·德雷珀奖。1983年,吉野运用钴酸锂(LiCoO2;锂和氧化钴的化合物,由约翰·巴尼斯特·古迪纳夫、水岛公一等人发现)开发阴极,运用聚乙炔开发阳极,在1983年制备出世界第一个可充电锂离子电池的原型。并且克服诸多技术问题,彻底消除金属锂,在1985年确立了可充电含锂碱性锂离子电池(LIB)的基本概念,取得日本注册专利。吉野彰的锂电池突破了以往镍氢电池的技术限制,开启了行动电子设备的革命。由于极高的安全性、稳定的能量输出以及合理的价格,锂离子电池最终于在1991年由SONY首次商业化。2014年,美国国家工程院公认John B. Goodenough、西义郎、Rachid Yazami和吉野彰为现代锂离子电池所做出了先驱性和领先性的基础工作。 

    

Yoshino Akira教授(图片来源:bing.com/images 

   正是由于这三位科学家和幕后的来自世界各国的科学家的不断努力,现在锂离子电池的产业已经接近每年几十亿美元,为人类的日常生活提供诸多动力。然而,考虑到未来电动汽车的浪潮,电池制造商和科学家们将面临更为严峻的考验,以扩大车辆的续航里程和提高电池的耐久性以便能同时承受严酷的持续驱动和短程旅行。最后,再次向这三位获奖科学家表示感谢和祝贺! 

自动驾驶汽车需要更强劲的电池 

(图片来源:https://www.pexels.com) 

  参考资料: 

  [1] Armand, M.; Tarascon, J. M., Building better batteries. Nature 2008, 451 (7179), 652-657. 

  [2] Tarascon, J. M.; Armand, M., Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries. Nature 2001, 414 (6861), 359-367. 

  [3] Armand, M.; Murphy, D.; Broadhead, J., Materials for Advanced Batteries. 1980. 

  [4] Nishi, Y., The development of lithium ion secondary batteries. The Chemical Record 2001, 1 (5), 406-413. 

  [5] https://www.nobelprize.org/ 


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