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2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)揭曉,Goodenough等三人獲獎(jiǎng),鋰電池開啟電子設(shè)備便攜化進(jìn)程

來源:化學(xué)加(ID:tryingchem)      2019-10-14
導(dǎo)讀:當(dāng)?shù)貢r(shí)間10月9日,瑞典皇家科學(xué)院在斯德哥爾摩宣布,將2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給3位科學(xué)家,分別為美國科學(xué)家約翰·B·古迪納夫(John B. Goodenough)、英國科學(xué)家M·斯坦利·威廷漢(M. Stanley Whittingham )以及日本科學(xué)家吉野彰(Akira Yoshino),以表彰他們在鋰離子電池方面的研究成果。
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當(dāng)前,鋰離子電池在全球范圍內(nèi)用于為便攜式電子設(shè)備供電。我們使用這些便攜式電子設(shè)備進(jìn)行通訊、工作、學(xué)習(xí)、聽音樂和尋找知識(shí)。鋰電池還促進(jìn)了遠(yuǎn)程電動(dòng)汽車的開發(fā)以及來自可再生能源(例如太陽能和風(fēng)能)的能量存儲(chǔ)?,F(xiàn)在,這種輕巧、可充電且功能強(qiáng)大的電池已用于從手機(jī)到筆記本電腦和電動(dòng)車的所有產(chǎn)品。它還可以存儲(chǔ)來自太陽能和風(fēng)能的大量能量,從而使無化石燃料社會(huì)成為可能。
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三位科學(xué)家是如何共同“發(fā)明”鋰電池的?
據(jù)諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)介紹,鋰離子電池的基礎(chǔ)是在1970年代的石油危機(jī)期間奠定的。M·斯坦利·威廷漢(M. Stanley Whittingham )致力于開發(fā)可能導(dǎo)致無化石燃料的能源技術(shù)的方法。
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他開始研究超導(dǎo)體,并發(fā)現(xiàn)了一種能量非常豐富的材料,他將其用于在鋰電池中創(chuàng)建創(chuàng)新的陰極。它是由二硫化鈦制成的,該二硫化鈦在分子水平上具有可以容納(嵌入)鋰離子的空間。電池的陽極部分由金屬鋰制成,金屬鋰具有強(qiáng)烈的釋放電子的動(dòng)力。這產(chǎn)生了一個(gè)電池,實(shí)際上具有很大的潛力,剛好超過2伏。但是,金屬鋰具有反應(yīng)性,電池爆炸性太大,無法使用。
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約翰·B·古迪納夫(John B. Goodenough)預(yù)測,如果使用金屬氧化物而不是金屬硫化物制成陰極,則陰極將具有更大的潛力。經(jīng)過系統(tǒng)的搜索,他在1980年證明了嵌入了鋰離子的氧化鈷可以產(chǎn)生多達(dá)4伏的電壓。這是一項(xiàng)重要的突破,將帶來更強(qiáng)大的電池。
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野彰(Akira Yoshino)以Goodenough的陰極為基礎(chǔ),于1985年創(chuàng)建了首個(gè)商業(yè)上可行的鋰離子電池。他沒有在陽極中使用反應(yīng)性鋰,而是使用了石油焦炭,這種碳材料像陰極的氧化鈷一樣可以嵌入鋰離子中。 結(jié)果是重量輕,堅(jiān)固耐用的電池,在其性能下降之前可以充電數(shù)百次。鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)在于,它們不是基于分解電極的化學(xué)反應(yīng),而是基于鋰離子在陽極和陰極之間來回流動(dòng)。
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約翰·B·古迪納夫(John B. Goodenough),美國德州大學(xué)奧斯汀分校機(jī)械工程系教授,鋰電池之父,美國科學(xué)院和工程院兩院院士,曾獲2001年 Japan Prize,2009年 Fermi Award,2011年美國國家科學(xué)獎(jiǎng)?wù)?和2014年Charles Stark Draper Prize。老爺子出生于1922年7月25日,二戰(zhàn)老兵,本科畢業(yè)于耶魯大學(xué)數(shù)學(xué)系,芝加哥大學(xué)物理博士,楊振寧先生的同學(xué)。如今以97歲高齡,仍然堅(jiān)持研究工作,尋找下一個(gè)超級(jí)電池。
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M·斯坦利·威廷漢(M. Stanley Whittingham ),紐約州立大學(xué)Binghamton 分?;瘜W(xué)和材料科學(xué)與工程教授,鋰電池研究先驅(qū)。1941年出生,本科、碩士和博士均畢業(yè)于牛津大學(xué)。加入Binghamton之前,長期在石油公司Exxon工作,從事電池研發(fā)。
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吉野彰 (Akira Yoshino),1948年生于日本。1972年吉野彰畢業(yè)于京都大學(xué)大學(xué)院工學(xué)研究專業(yè)。智能手機(jī)和電動(dòng)汽車使用的鋰離子電池的開發(fā)者、旭化成公司研究員,旭化成株式會(huì)社吉野研究室室長,還是京都大學(xué)大學(xué)院工學(xué)研究專業(yè)特命教授。


鋰電池開啟電子設(shè)備便攜化進(jìn)程

諾貝爾獎(jiǎng)最高齡得主誕生

今天在揭曉諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的同時(shí),還誕生了一個(gè)諾貝爾之最——97歲的古迪納夫成為諾貝爾獎(jiǎng)最高齡得主,力壓2018年諾貝爾物理學(xué)家亞瑟·阿什金(Arthur Ashkin)(獲獎(jiǎng)時(shí)享年96歲)。他在今年6月接受泰晤士報(bào)專訪時(shí)透露他仍在從事電池工作,雖然不知道自己什么時(shí)候會(huì)“被帶走”,但當(dāng)下他仍有兩個(gè)愿望,其一是能看到自己所帶的博士生順利畢業(yè),其二是能在有生之年看到自己的研究能第二次改變世界。在諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)揭曉之前,有猜測認(rèn)為古迪納夫或?qū)@獎(jiǎng)。

古迪納夫目前為美國德州大學(xué)奧斯汀分校,機(jī)械工程系教授,著名固體物理學(xué)家,是鈷酸鋰、錳酸鋰和磷酸鐵鋰正極材料的發(fā)明人,鋰離子電池的奠基人之一。他使鋰電池體積更小、容積更大、使用方式更穩(wěn)定,從而實(shí)現(xiàn)商業(yè)化,同時(shí)開啟了電子設(shè)備便攜化進(jìn)程,可以說是名副其實(shí)的鋰電池之父!1991年,古迪納夫的理論被索尼公司采用,成功制造出了世界上第一款商用鋰電池,它的實(shí)際應(yīng)用,使得攜帶式電子設(shè)備(如移動(dòng)電話、筆記型電腦)的重量和體積大大減小,使用時(shí)間大大延長。自此手機(jī)、照相機(jī)、筆記本電腦乃至電動(dòng)汽車等領(lǐng)域各自步入了便攜式新能源時(shí)代。

斯坦利·惠廷厄姆1941年出生于英國諾丁漢。在1964-1968年間,他于牛津大學(xué)接受化學(xué)教育,并取得學(xué)士、碩士與博士學(xué)位。他最早提出鋰離子電池的概念,并采用硫化鈦?zhàn)鳛檎龢O材料,金屬鋰作為負(fù)極材料,制成世界上第一塊鋰離子電池。

吉野彰(Yoshino Akira),1948年出生于日本大阪,現(xiàn)任旭化成研究員、名城大學(xué)教授。吉野是現(xiàn)代鋰離子電池的發(fā)明者,曾獲得工程學(xué)界最高榮譽(yù)全球能源獎(jiǎng)與查爾斯·斯塔克·德雷珀獎(jiǎng)。

現(xiàn)場連線吉野彰:好奇心是主要?jiǎng)恿?/strong>

吉野彰在接受現(xiàn)場連線時(shí)說:“我從1981年開始研究鋰離子電池,并于1985年發(fā)明了鋰離子電池” ,當(dāng)被問及是什么驅(qū)使吉野研究鋰離子電池時(shí),他表示好奇心是其主要?jiǎng)恿Α?/span>但由于現(xiàn)場連線的信號(hào)不是很好,這次的通話并沒有持續(xù)很長的時(shí)間。

約蘭·漢森在接受本網(wǎng)專訪時(shí)說,鋰離子電池系統(tǒng)的構(gòu)建和發(fā)展離不開這三位科學(xué)家的貢獻(xiàn),他們在鋰離子電池研發(fā)所做的重大突破,為我們打開了可持續(xù)發(fā)展世界的大門。“如今,我們今天面臨著氣候變化的巨大問題,其中很大一部分是燃燒化石燃料所帶來的。而鋰離子電池技術(shù)讓我們從化石燃料驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向電能驅(qū)動(dòng),這使得社會(huì)往更環(huán)保的方向發(fā)展,而人類無疑是最大的受益者。我們認(rèn)為這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)是符合諾貝爾獎(jiǎng)的精神的。”他說,他已經(jīng)致電了吉野彰和惠廷厄姆,他們聽到自己獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)時(shí)很高興,惠廷厄姆甚至喊了一聲“YES”,他們都表示會(huì)出席12月在斯德哥爾摩舉行的諾貝爾頒獎(jiǎng)典禮。不過遺憾的是,由于時(shí)差原因,諾貝爾委員會(huì)還沒聯(lián)系上在美國德克薩斯州的古迪納夫。據(jù)相關(guān)人士透露,古迪納夫并沒有在美國,之所以錯(cuò)過了諾貝爾電話是因?yàn)樗チ擞始覍W(xué)會(huì)領(lǐng)取科普利獎(jiǎng),就在今晚。

鋰離子電池 從概念到商業(yè)化

這三個(gè)獲獎(jiǎng)?wù)咴阡囯x子電池的開發(fā)中都起著至關(guān)重要的作用。20世紀(jì)70年代的石油危機(jī)期間導(dǎo)致能源問題日益突出,當(dāng)時(shí)起便有一群科學(xué)家努力開發(fā)新能源。斯坦利·惠廷漢姆在開發(fā)第一款款功能性鋰電池時(shí),他利用鋰的巨大動(dòng)力來釋放其外部電子,但這種電池在充放電的過程中容易起火爆炸。約翰·巴尼斯特·古迪納夫經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)計(jì)算,他發(fā)現(xiàn)鈷酸鋰是比原先使用的硫化鈦更適合儲(chǔ)存鋰離子,他將鋰電池的電勢提高了一倍,為更強(qiáng)大、更有用的電池創(chuàng)造了合適的條件。吉野彰借助古迪納夫的理論,成功地從電池中去除了純鋰,取而代之的是將其完全基于比純鋰更安全的鋰離子。這使得電池可以投入到實(shí)際到生產(chǎn)應(yīng)用中。1991年,古迪納夫和吉野彰合作發(fā)明的鋰離子電池被索尼公司成功推向了市場,標(biāo)志著鋰離子電池的大規(guī)模使用,它的商業(yè)化生產(chǎn)使得攜帶式電子設(shè)備(如移動(dòng)電話、筆記型電腦)的重量和體積大大減小,使用時(shí)間大大延長。自此人們的生活進(jìn)入了一個(gè)新的能源使用時(shí)代。有意思的是,兩人也因此結(jié)下了深厚友誼,吉野彰每年都會(huì)去德州拜訪古迪納夫。吉野彰表示:“電池技術(shù)是復(fù)雜又困難的學(xué)科交叉領(lǐng)域,它的發(fā)展需要多方面的專家。在我看來,鋰離子電池是集體智慧的成果。

鋰離子電池是第一塊真正意義上的輕質(zhì)電池,為便攜式電子設(shè)備(如手機(jī)、平板電腦、起搏器)的產(chǎn)生鋪平了道路,甚至電動(dòng)汽車、航天業(yè)也離不開它。鋰離子電池作為當(dāng)今世界最主要的便攜式能量源,自1991年首次進(jìn)入市場以來,徹底改變了我們的生活。它們奠定了無線、無石化燃料社會(huì)的基礎(chǔ),可以說如果沒有鋰電池,就不會(huì)有如今我們所能享受到的一切便攜式設(shè)備。今天,鋰電池產(chǎn)業(yè)已經(jīng)接近年產(chǎn)幾十億美元,為人類的日?;顒?dòng)提供動(dòng)力。鋰電池還曾和晶體管一起被視作電子工業(yè)中最偉大的發(fā)明,而晶體管的發(fā)明人巴丁已經(jīng)榮獲諾貝爾獎(jiǎng)。盡管鋰離子電池的誕生應(yīng)用已有30年的歷史,但即使到今天,也沒有被更好的電池技術(shù)來取代它,鋰離子電池技術(shù)無疑是對現(xiàn)代人類日常生活最有影響力的材料科學(xué)之一。

今年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)三位科學(xué)家在鋰離子電池領(lǐng)域的開發(fā),使得鋰離子電池在全球范圍內(nèi)得到廣泛運(yùn)用,從根本上改變了人們的日常生活,由于鋰離子電池中不含有重金屬鎘,與鎳鎘電池相比,大大減少了對環(huán)境的污染,他們更是為我們創(chuàng)造了一個(gè)綠色環(huán)保的世界,對人類可持續(xù)發(fā)展做出了杰出的貢獻(xiàn)。

最接地氣的一次化學(xué)獎(jiǎng)

今年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)被稱為最接地氣的一次,其研究成果是最接近我們?nèi)粘I畹摹?/span>鋰電池給人類生活帶來的便利就非常顯而易見,你此刻正拿著的手機(jī)、桌上的筆記本電腦、心臟起搏器等等這些便攜式電器,以及環(huán)保型交通工具代表—電動(dòng)汽車,都離不開鋰離子電池。

諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)不“化學(xué)”,從歷年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主名單中不難看出,諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)“混搭”明顯,與其他自然科學(xué)領(lǐng)域并沒有明顯的界線。不少人的獲獎(jiǎng)成就并非出自傳統(tǒng)的化學(xué)研究,而是涉及生物學(xué)、物理學(xué)等多重學(xué)科,因此諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)也被調(diào)侃為“理科綜合獎(jiǎng)”,還曾出現(xiàn)過“諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給物理學(xué)家、以獎(jiǎng)勵(lì)他們的成果有益于生物學(xué)家”之類的情況。據(jù)統(tǒng)計(jì),其中有17次諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了生物學(xué)方面的成就。比如2017年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了在冷凍電子顯微鏡術(shù)領(lǐng)域做出巨大貢獻(xiàn)的三位生物物理學(xué)家。2018年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了在“進(jìn)化控制”方面做出重要貢獻(xiàn)的三位生物學(xué)家。因此諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)曾被不少科學(xué)家戲謔稱為“諾貝爾理科綜合獎(jiǎng)”。

煎荷包蛋時(shí)為什么不會(huì)粘鍋?雨衣為什么能防水?光合作用是如何產(chǎn)生?是什么破壞了臭氧層?這些問題都能在化學(xué)獎(jiǎng)得主的研究成果中找到答案。正是這些科學(xué)家的探索發(fā)現(xiàn),從根本上改變了人們對世界的看法,也從根本上改變了人們的生活。

延伸閱讀:

諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)趣聞

諾貝爾獎(jiǎng)的創(chuàng)立者瑞典人阿爾弗雷德·諾貝爾本人就是一名化學(xué)家,曾發(fā)明硝化甘油炸藥。按照他的遺囑,諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)旨在頒給化學(xué)方面有重要發(fā)現(xiàn)和取得重大成果的人。

與諾貝爾設(shè)立的其他獎(jiǎng)項(xiàng)一樣,諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)從1901年開始頒發(fā),在沒有評(píng)出化學(xué)方面重大成果的年份則空缺獎(jiǎng)項(xiàng)。直至2017年,諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)出現(xiàn)過8次空缺,共計(jì)頒發(fā)109次,其中63次獲獎(jiǎng)人數(shù)為1人,而獲獎(jiǎng)人數(shù)為2人和3人的次數(shù)都是23次。

截至2018年,諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主共計(jì)180人,其中有五名女性獲獎(jiǎng):瑪麗·居里(1911年)、伊雷娜·約里奧-居里(1935年)、多蘿西·克勞福特·霍奇金(1964年)、阿達(dá)·約納特(2009年)和弗朗西斯·阿諾德(2018年)。英國科學(xué)家弗雷德里克·桑格憑借基因測序技術(shù)兩次獲得這項(xiàng)殊榮。

從年齡上來看,諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主獲獎(jiǎng)時(shí)的平均年齡為58歲,其中最年長者是85歲獲獎(jiǎng)的美國科學(xué)家約翰·芬恩,他因發(fā)明對生物大分子進(jìn)行識(shí)別和結(jié)構(gòu)分析的方法于2002年獲獎(jiǎng);最年輕的是于1935年獲獎(jiǎng)的法國科學(xué)家弗雷德里奧·約里奧,在35歲時(shí)他與夫人伊雷娜·約里奧-居里共同獲獎(jiǎng),而這對“科研夫妻檔”就是著名的居里夫婦的女婿和女兒。

由于諾貝爾提名人選的保密期為50年,現(xiàn)階段公眾只能看到1901年至1966年的獎(jiǎng)項(xiàng)提名資料。在這期間,諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的總提名人數(shù)為2931人,在諾貝爾自然科學(xué)類獎(jiǎng)項(xiàng)中“陪跑”人數(shù)居中。(人民網(wǎng) 記者 李玫憶 實(shí)習(xí)生 方菁


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