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2019年诺贝尔化学奖授予锂离子电池领域的卓越科学家

本文来自日文版 翻译小编 Sum

校对加工  Jiao Jiao

2019年10月9日,瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布,将2019年诺贝尔化学奖颁发给3位科学家,分别为美国科学家John B Goodenough(约翰·古迪纳夫)、英国科学家Stanley Whittingham(斯坦利·威廷汉)以及日本科学家Akira Yoshino (吉野 彰),以表彰他们在锂离子电池方面的研究贡献。

获奖人简介

John B Goodenough是美国得州大学奥斯汀分校机械工程系教授,他通过研究化学、结构以及固体电子和离子性质之间的关系来设计新材料,解决材料科学问题,这其中,他发现的三种正极材料钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂是他所做出的最杰出的成就,这奠定了现代社会广泛使用的锂离子电池的基础。可以说,没有他的发现,我们现在所使用的手机电池,不过是一个“行走的炸药包”而已。值得一提的是,他今年已经97岁高龄,在去年的诺贝尔奖揭晓时,很多人都盼望着这位在锂电池领域有重要贡献的教授能够获奖,生怕老先生年事又高,此生若错过诺奖将非常可惜。今年Goodenough获诺奖,可谓是众望所归,同时也刷新了自从1901年诺贝尔奖设立以来获奖者的最高年龄新纪录。

 

Stanley Whittingham是纽约大学宾汉顿分校的教授,上世纪70年代早期,他致力于寻找可以摆脱化石燃料的能源,他通过研究超导体发现了一种能量非常丰富的材料TiS2,将其用在锂电池中创建新的阴极,而电池的阳极部分则由金属锂制成,这种金属具有强烈的释放电子的动力。由此,Whittingham开发出了一种可在室温下工作的可充电锂离子电池,尽管锂金属负极存在一系列的安全问题,TiS2电池的商业化并不成功,但不得不承认Goodenough之后在锂离子电池方面的杰出成就离不开Whittingham前期打下的研究基础,Whittingham提出的嵌入式的电池工作原理成为了之后新型锂离子电池成功商业化的基石。

 

Akira Yoshino 是日本名城大学教授,也是日本知名化学化工企业–Asahi-kasei(旭化成株式会社,以下简称旭化成)公司名誉研究员、获日本政府紫绶褒章的化学家。此次诺奖表彰他在使锂离子电池的重量更轻,输出功率更高,循环寿命更长作出了卓越贡献。其新型的锂离子电池被广泛的应用于智能手机,笔记本电脑及电动汽车等领域,对于改变人类的生活的方式有着深远的影响。

 

改变世界的锂离子电池

习惯了现代科技带来的便利生活的年轻人可能很难想象锂离子电池发明以前的世界是什么样子的。那个时候,手机尚未普及,最为常见的联系方式就是家里那台唯一且固定不动的有线座机,当你想要给你心爱的女孩打电话时,往往不得不通过他们的父母将电话转交给她,当然,你也可以提前约好时间,让心爱的女孩在家外面的公共电话亭等你的电话。。。不过好在随着无线电话的到来,现在你在自己的房间里就可以方便的联系到您的朋友。并且随着手机的出现,无绳电话和座机也渐渐的变成了过去,让您可以摆脱时间和空间的枷锁,随时随地的和任何人通话。不仅如此,那个时候的人们也完全不敢想象可以抱着一台电脑和传真机登上火车或飞机去办公的场景,在现在,随着笔记本电脑和无线网络的发展,这种随时随地都可以进行工作的移动终端设备早已变得司空见惯。而支撑这一切革命性变化的重要功臣正是锂离子电池的诞生,因此,锂离子电池也成为了这次革命的关键技术之一。

 

电池世界的技术革新

在过去,人们最早将“ 镍镉电池”作为一种可循环充放电的供电设备(称为蓄电池)。 但是,由于容量问题,镍镉电池的体积占据了非常大的设备空间,那个时候的一个“大哥大”有一个500mL饮料瓶那么大,但实际的电能容量却少的可怜。比起现在手机动辄4000mAh的内置电池,那时的电池容量只有500mAh左右。

就在这时,揭起了电池界革命的锂离子电池横空出世。

  • 填充具有极强还原剂“锂”的碳基负极材料
  • 强氧化性金属氧化物的正极材料
  • 氧化还原相对稳定的电解液

通过这些具有创新性的材料组合,可以实现超过3V的高电压。

 

使用夹层化合物的锂离子电池的先驱者:Stanley Whittingham

Whittingham使用TiS2作为正极材料,通过在负极上使用锂金属,开发出了可以反复充放电的新电池。TiS2是一种层状化合物,这可以使得锂离子自由出入而不破坏其原本的结构,从而形成了可以反复充放电的物质。这种“可以使离子进入的夹层化合物”的设想被称为“插层”,此后,此夹层结构也成为了电池材料领域中被广泛使用的极其重要的技术方法。但是由于钛的硫化物很重,在和水等物质在一起反应时会不稳定,此时的人们仍然需要探索性能更高的新材料。

 

钴酸锂电池的奠基人:John B Goodenough

1980年,goodenough宣布,他发现钴酸锂这一氧化物更加适用于用作锂离子电池的正极材料。

这是一种与氧气具有相同氧化能力,并且不仅可以获得更高的电压,还能在即使反复充放电的情况下也能保持稳定的实用性新型材料。事实上goodenough本是学物理出身,他以研究有关氧化物内部电子性质的理论而闻名。在该研究中,他于1958年发现了一种与钴酸锂类似被称之为镍酸锂的化合物。goodenough用这种含锂的氧化物制成了锂离子电池,并且一同研究的研究员Koichi Mizushima(水岛 公一)等人还发现,改用钴酸锂可以更为有效地将锂置换和还原。

这种锂电池具有比以往的锰电池和铅蓄电池体积更小,却能够储存更多的电力的优点,但是也有另外一个致命的问题存在:当对电池进行反复充放电时,锂的表面上会堆积形成一些针状的金属物,当这些金属物的前端不断堆积到达了正极后会引起内部短路而发生爆炸。

 

碳素负极的发明和锂离子电池的最终实用化的完成者:Akira Yoshino

接下来即将登场的就是当时电池研发和生产领域极富盛名的旭化成、索尼等日本企业。而当时正隶属于旭化成的Yoshino发现:只要在聚乙炔(也是曾获得诺贝尔奖的白川英树的发现)中引入锂离子就可以代替金属锂,并且通过在电极之间夹上聚乙烯膜,可以制成稳定性极佳的电池。在这种电池模型中,锂不会金属化,所以被命名为锂“离子”电池,在此之后,又有了进一步的改进成将使用诸如石墨之类的碳材料代替聚乙炔的一系列新技术改进。

锂离子电池与之前使用的镍镉电池和镍氢电池相比,体积小巧而储能优秀,并且自放电效应非常小,即使放置1年左右也能马上正常使用,另外因为单体电池极端之间产生的电压足够高,在需要高电压功能的情况下,也不需要串联较多的电池组,这更进一步的减少了在实际使用中电池占据的空间,也使设备的安全性有了进一步的提升。正因如此,这种新型的锂离子电池在各个技术指标上似乎找到了一个绝佳的平衡点,造就了易用性和安全性的完美结合。造就了我们现在身边随处可见,任何人都可以摆脱了电线和笨重的老式铅蓄电池,轻松的随身携带笔记本电脑和手机进行办公和交流的现代生活。而这也正是促使着普适计算和万物互联时代不断发展的源源「动力」。

当然,锂离子电池还被应用在了那些几乎不需要外接电源充电的电子设备中,比如一些太阳能设备和混动汽车中都可以看到锂离子电池的身影。

 

结语

正是基于这样对人类现代化社会具有建设性意义的发明,本次的诺贝尔化学奖授予了推进锂离子电池技术发展的三位卓越的科学家。

从改变世界的意义上来讲,本次的三位诺贝尔化学奖获得者实至名归。特别是全面涉猎理论研究和实际应用的goodenough,可以说是当代大学研究者的典范。

在锂离子电池的基础研究开发中,虽然美国的贡献不小,但是在从实验室的理论研发到搭载于全世界亿万设备的实用化进程上,不得不承认日本企业很大程度上起到了主导地位,在锂离子电池研究领域中,还有与goodenough同时期研究钴酸锂的东京大学名誉教授Koichi Mizushima(水岛 公一)、以及在索尼与旭化成的技术竞争中开发出碳负极的 Yoshio Nishi(西 美绪)以及世界上其他大学、企业的研究者们,虽然他们没能有幸获得诺贝尔化学奖,但是他们在锂离子电池研究中所作出的贡献,也值得我们为此铭记和致敬。

 

编者的话

近年来每到十月黄金周前后的诺贝尔奖揭晓之际,都会有多家新闻平台的热门评论报道。国内这几年科学媒体平台也越来越多。小编还记得四五年前,化学空间在专题介绍诺贝尔化学奖时还是为数不多的热门媒体,而近两年太多科学相关媒体平台的出现使我们倍感同行的竞争压力,但从另外一个角度,却欣喜这个全民科学时代的到来。今年的诺奖,我们再一次看到了日本人的身影。小编统计了一下,日本历届诺贝尔奖得主当中,目前包含取得美国国籍的日本人在内,Akira Yoshino(吉野彰)是第27人,上一次获得化学奖者是2010年得奖的Akira Suzuki(铃木章)与Eiichi Negishi(根岸 英一),Yoshino是第8位拿到诺贝尔化学奖的日本人。网络媒体近年来有很多关于“日本诺奖井喷”等标题的新闻和评论帖,不可否认,日本人在科学方面的高水平离不开国家投入、科研环境、国民教育、民族性格等种种因素,当然也早于我们很多年尊重教育和科学的态度才有了今天世界公认的科学成就,Chem-Station是日本化学界最大的门户网站,熟悉化学空间的读者都知道这里面很多内容都来自日文版、出自日本化学科研第一线的研究者之笔,希望今后依然能带给读者更多前沿的化学研究内容,传递不同的文化视角下对科学的领悟和解读。

 

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