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熱搜關(guān)鍵詞: 圓柱鋰電池 低溫鋰電池 動(dòng)力電池組

97歲的“鋰電池之父”等三位科學(xué)家獲得2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)

來源: | 發(fā)布日期:2022-04-07

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北京時(shí)間2019年10月9日下午5點(diǎn)45分,2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)在斯德哥爾摩瑞典皇家科學(xué)院揭曉。 John Goodenough 教授、Stanley Whittingham 教授和 Akira Yoshino 博士因在鋰電池創(chuàng)造方面的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)而獲得了今年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

在過去的幾十年里,只有少數(shù)發(fā)明徹底改變了世界,而鋰電池在其中占有一席之地。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子,如果您沒有鋰電池,您通常無法通過手頭的設(shè)備閱讀此新聞。

---為鋰電池的發(fā)展做貢獻(xiàn)---

Goodenough 首先發(fā)現(xiàn)了鈷酸鋰作為合適的正極材料,隨后又發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)鈷酸鋰適合作為正極材料,降低了現(xiàn)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(fā)現(xiàn),首先使用聚乙炔,然后是碳基材料作為陽(yáng)極,以消除電池中的金屬鋰,并使用含鋰化合物建立現(xiàn)代鋰離子電池的基本框架。 1991年,索尼將兩者聯(lián)合開發(fā)的鋰離子電池推向市場(chǎng),標(biāo)志著鋰離子電池的普遍應(yīng)用。鋰離子電池通常廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電子設(shè)備、電動(dòng)汽車、太陽(yáng)能等領(lǐng)域。而吉野明也因其在鋰離子電池領(lǐng)域的成就成為日本第8位獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)家、第24位獲得諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)的日本科學(xué)家。這位科學(xué)家(包括兩名美國(guó)人)。

---獲獎(jiǎng)?wù)吆?jiǎn)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(guó),現(xiàn)年97歲。 1943年獲耶魯大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)士學(xué)位。二戰(zhàn)后,古迪納夫于 1952 年獲得芝加哥大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位。1952 年至 1976 年,古迪納夫在麻省理工學(xué)院的林肯實(shí)驗(yàn)室工作,專注于記憶的材料物理研究。 1976 年,Goodenough 加入牛津大學(xué),擔(dān)任教授和無機(jī)化學(xué)研討會(huì)負(fù)責(zé)人。自 1986 年以來,Goodenough 一直擔(dān)任德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的教授,繼續(xù)從事能源數(shù)據(jù)研究。

吉野明

1948年1月30日,吉野明教授出生于日本大阪,現(xiàn)年71歲。吉野教授1970年畢業(yè)于京都大學(xué)工學(xué)部石油化學(xué)系,1972年獲得工學(xué)碩士學(xué)位,2005年獲得大阪大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位。1972年,吉野明加入旭化成工業(yè)株式會(huì)社., Ltd.,并于 1994 年擔(dān)任 AT&T 技術(shù)開發(fā)部總監(jiān)。 1997年任旭化成工業(yè)株式會(huì)社離子二次電池事業(yè)推進(jìn)室主任。2005年起任旭化成工業(yè)株式會(huì)社吉野研討室主任。

惠廷厄姆

Whittingham教授目前在美國(guó)賓厄姆頓大學(xué)東北化學(xué)儲(chǔ)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(lǐng)域取得了開創(chuàng)性研究,并被湯森路透預(yù)測(cè)為2015年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的候選人。

1971 年被 Whittingham 教授收購(gòu)2004年ECS電化學(xué)學(xué)會(huì)青年學(xué)者獎(jiǎng),2004年ECS電化學(xué)學(xué)會(huì)電池研究獎(jiǎng),2006年年中入選ECS電化學(xué)學(xué)會(huì),以表彰他對(duì)鋰電池科學(xué)與技術(shù)的貢獻(xiàn)。

- 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(xué)家,也是一位虔誠(chéng)的基督徒。他被公認(rèn)為“鋰離子電池之父”,但他幾乎沒有從他的創(chuàng)作中獲利。他從小熱愛文學(xué)和哲學(xué),但最終以優(yōu)異的成績(jī)畢業(yè)于耶魯大學(xué)數(shù)學(xué)系。

當(dāng)古迪納夫計(jì)劃學(xué)習(xí)物理學(xué)時(shí),第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)了。古迪納夫參軍并擔(dān)任航空部隊(duì)的氣候?qū)<?。?zhàn)后,他決定繼續(xù)攻讀物理學(xué)。盡管一些教授認(rèn)為他在這個(gè)年紀(jì)很難在物理學(xué)領(lǐng)域取得成就,但古迪納夫并沒有氣餒。獲得博士學(xué)位后。在固態(tài)物理學(xué)方面,他曾在林肯實(shí)驗(yàn)室工作。在那里,他發(fā)現(xiàn)了目前鐵氧體磁芯的巧合記憶功能——電子計(jì)算機(jī)記憶技術(shù)的基礎(chǔ)。

在林肯實(shí)驗(yàn)室工作期間,Goodenough 接觸了一些能源并研究了鋰離子的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)時(shí)正趕上美國(guó)對(duì)阿拉伯國(guó)家石油禁運(yùn)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(jī)會(huì),來到牛津大學(xué)擔(dān)任無機(jī)化學(xué)教授。

看來,Goodenough 似乎已經(jīng)晚了一步:可充電鋰電池曾經(jīng)是由英國(guó)化學(xué)家 Whittingham 發(fā)明的。但是這種電池在充放電過程中容易著火爆炸,應(yīng)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(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)計(jì)算,他發(fā)現(xiàn)鈷酸鋰比原來使用的硫化鈦更合適。儲(chǔ)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(yáng)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(fā)現(xiàn)給了我所需的一切。鈷酸鋰效果很好,可以將現(xiàn)有鋰鎘電池的重量減少三分之一?!?

吉野明設(shè)計(jì)的鋰離子電池采用碳基材料作為陽(yáng)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(shù)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(duì)鋰離子電池停止了屢次技術(shù)改進(jìn),例如采用鋁箔做集流體,用聚乙烯薄膜做離子隔閡,對(duì)鋰離子電池的電解質(zhì)改良,使其可以提供更高的電壓。
    1991年,兩人協(xié)作創(chuàng)造的鋰離子電池被索尼公司推向市場(chǎng),標(biāo)志著鋰離子電池的大范圍運(yùn)用。兩人也因而結(jié)下了深沉友誼。爾后,吉野彰每年都會(huì)去德州訪問古迪納夫?;貞洑v史,吉野彰表示:“電池技術(shù)是復(fù)雜又艱難的學(xué)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(xù)從事能源方面的研討。古迪納夫希望能研發(fā)出高能量密度、高平安性的固態(tài)電池,從而處理人類潛在的能源危機(jī)。他說:“我想在逝世前處理這個(gè)問題,我才九十多歲,還有時(shí)間。”

---鋰離子電池的發(fā)展---
電池:時(shí)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(dāng)時(shí),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(gè)電極,電極之間需求有電解質(zhì),讓離子挪動(dòng)。電池的兩個(gè)電極分別叫做陰極和陽(yáng)極。在電池放電時(shí),帶正電的離子會(huì)從陽(yáng)極跑到陰極,產(chǎn)生電流。

    不可思議,用于兩個(gè)電極與電解質(zhì)的資料,決議了電池的性能。為了改造電池,科學(xué)家們需求嘗試各種不同的資料。這看上去是一件單調(diào)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(dòng)了這個(gè)狀況。在推出了著名的T型車后,福特公司決議投資電力驅(qū)動(dòng)的汽車。為了提供車輛行駛的能源,福特公司方案開發(fā)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(shí),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(xiàn)。但這卻在當(dāng)時(shí)激起了一股研討電池的熱潮?!耙祸畷r(shí),一切的事情都改動(dòng)了,電池不再是單調(diào)乏味的范疇”,Goodenough教授回想說。這股對(duì)電池的狂熱不斷持續(xù)到了70年代:在石油危機(jī)的影響下,人們?cè)桨l(fā)置信,電力驅(qū)動(dòng)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(dāng)時(shí)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(tǒng)。這兩者之間的電化學(xué)反響十分疾速,且在環(huán)境溫度下是可逆的。這標(biāo)明我們能夠給這種電池充電。在1976年的一篇《科學(xué)》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(yīng)用,這背后有著多種緣由。首先,二硫化鈦太貴了(當(dāng)時(shí)售價(jià)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(huì)產(chǎn)生硫化氫。這種分子不只具有惡臭氣息,還對(duì)動(dòng)物有毒性。此外,金屬鋰制成的電極十分生動(dòng),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(fā)方案。
    但其他科學(xué)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(tuán)隊(duì)做出打破。他們發(fā)現(xiàn)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(wěn)定,沒有平安隱患。在當(dāng)年的《Materials Research Bulletin》雜志上,他的團(tuán)隊(duì)標(biāo)明鈷酸鋰(LiCoO2)能成為鋰電池的陰極資料。時(shí)至今日,我們照舊在運(yùn)用這種資料制造鋰電池。
鋰電池的結(jié)構(gòu)示意圖
    而電池另一極的研發(fā)則略微遇到了些迂回。同樣是在1980年,一些科學(xué)家指出,石墨或許能成為鋰電池的陽(yáng)極資料。但是電池中的一些可溶分子會(huì)插入到石墨的碳構(gòu)造中,形成毀壞。而吉野彰博士與其同事則運(yùn)用聚乙炔(polyacetylene)作為陽(yáng)極資料,一舉獲得了勝利。1985年,應(yīng)用鈷酸鋰和聚乙炔,吉野彰博士制造出了第一塊現(xiàn)代鋰電池。1991年,索尼與旭化成株式會(huì)社共同推出了第一塊商業(yè)化的鋰電池。一個(gè)嶄新的時(shí)期到來了。
    自那時(shí)起,這三人就不斷被視為諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的有力競(jìng)爭(zhēng)者,卻屢屢與獲獎(jiǎng)無緣。往常,間隔這些科學(xué)家們的創(chuàng)新創(chuàng)造,曾經(jīng)過去了30多年。而今日授予他們的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng),也是對(duì)他們?yōu)檫@世界所作嚴(yán)重改動(dòng)的最佳認(rèn)可!

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