诺贝尔化学奖颁布 他们延长了整个世界的续航

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        10月9日,2019年诺贝尔化学奖揭晓,共有三位,分别是97岁的约翰·古德伊纳夫(John B. Goodenough),现任德克萨斯大学(University of Texas)奥斯汀分校工程学教授;77岁的斯坦利·惠廷汉姆(M. Stanley Whittingham),纽约州立大学宾厄姆顿分校(State University of New York at Binghamton)的化学教授;71岁的吉野彰(Akira Yoshino),是日本旭化成公司的研究员,京都大学特命教授。他们的获奖理由是:在发明锂电池的过程中所做的贡献。

 

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        组委会表示,“锂离子电池已经彻底改变了我们的生活,被用于从手机到笔记本电脑再到电动汽车的所有领域。他们三位的付出为一个无线(可移动),无化石燃料的社会奠定了基础。”

 

        上世纪 70 年代的石油危机直接促成了锂电池研发的开端。石油巨头埃克森公司(Exxon)判断石油资源作为不可再生资源将会在不久以后面临枯竭,于是组建了研究团队开发下一代无化石燃料能源技术。这个时候,超导体研究被提上日程,斯坦利·惠廷汉姆说是锂离子电池最早的“开拓者”,他把二硫化钛、金属锂运用到锂电池的正负极材料中,锂电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点,充电时,锂离子从正极移动到负极,放电则回到正极,能够释放刚刚超过 2 伏的电压。

 

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        1976 年,埃克森申请了世界上第一个锂电池的发明专利,然而这家公司并没有将技术转化为产业价值。

 

        当时的锂电池存在一定缺陷,作为负极材料的金属锂会和有机电解液发生反应,负极材料逐渐粉末化直至最终失去活性,同时在充放电过程中长出锂枝晶,从而有可能刺穿隔膜导致电池发生短路甚至燃烧爆炸,无法商用。

 

        爆炸问题在当时引起了约翰·古德伊纳夫的关注。他是美国固体物理学家,也是锂电池产业的重要学者,被形容为“为锂电池而生”的科学家。1980 年,约翰·古德伊纳夫用钴氧化物将锂电池的电位提高到了 4 伏。用钴酸锂做正极的电池让当时的电池技术向前迈出了一大步。

 

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        约翰·古德伊纳夫作为“半路出家”的电化学家最先开发的是钠硫电池,后来他发现了钴酸锂和磷酸铁锂两种电极材料,如今,他也被认为是固态化学和物理学领域的巨人。约翰·古德伊纳夫多年来一直陪跑诺奖,外界戏称其为化学界的“村上春树”,但现在,他终于成为有史以来诺贝尔奖年龄最大的获得者,超过了去年96岁的诺贝尔物理学奖获得者。

 

        约翰·古德伊纳夫为人类社会带来了锂电池,但是如今对于锂电池能量密度的提升却有着迫切需求,尤其是在全球都在大力发展新能源汽车之时,提高电池能量密度就意味着同样体积的电池能够驱动车辆跑得更远,这会让更多人接受新能源汽车。

 

        在约翰·古德伊纳夫苦心钻研钴酸锂之际,吉野彰也发挥了自身的作用。他从约翰·古德伊纳夫的一篇论文中得到了启示,找到了合适的负极材料——用碳材料代理金属锂,像正极的氧化钴一样,可以嵌入锂离子。在充放电的过程没有金属锂的存在,只有锂离子,这也确立了锂离子电池的基本概念。

 

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        1985 年,吉野彰发明了首个可用于商业的锂离子电池。锂离子电池的优点在于不是基于分解电极的化学反应,而是基于锂离子在负极和正极之间来回流动。为了提高性能,吉野彰对电池进行了多次改良,促使锂离子电池轻量化,更安全,终于将其推向商业化的道路,可以说吉野彰对于锂离子电池的现代化发展功不可没。

 

        约翰·古德伊纳夫和吉野彰的“合力”也让实验室里的技术走向商业化。1991 年索尼发布首个商用锂离子电池。直到如今,生活中可见的便携式设备主要是用此类钴酸锂电池。科学远远没有停滞于此,为了找到比钴便宜的替代金属,以及更利于锂离子高效运动的结构,锰酸锂,磷酸铁锂相继被应用于锂离子电池中。

 

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        如果说斯坦利·惠廷汉姆是锂电池的开创者,约翰·古德伊纳夫是扫清了锂电池技术前进最大的路障,吉野彰则推了最后一把力,让锂离子电池“革新”了电子设备。

 

        诺贝尔组委会给予了三位获奖者很高的评价,锂离子电池不仅让世界动起来成为可能,更有意义的是让我们能够不完全依赖石油燃料,生活在一个可持续发展的世界中。

 

        电池为手机、笔记本电脑、电动汽车和无数其他现代生活设备提供了动力,并可能成为绿色未来的基础。吉野彰直言:“为了解决气候变化问题,我们必须建立一个可再生能源发电的社会。”的确,利用电池储存来自风能和太阳能等可再生能源的电力为遏制全球变暖开辟了新的可能性。这或许也是诺贝尔化学奖被授予这三位科学家的内在而深远的意义。

2019年10月11日
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来源:元一能源

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