诺贝尔化学奖颁布,他们延长了整个世界的续航

摘要

如果说威廷汉是锂电池的开创者,古迪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。

这一次,诺尔贝委员会再一次将奖项颁给了最贴近生活的科学。

北京时间 10 月 9 日,诺贝尔委员会公布了 2019 年度诺贝尔化学奖获奖者:约翰·B·古迪纳夫(John B. Goodenough)、M·斯坦利·威廷汉(M. Stanley Whittingham)和吉野彰(Akira Yoshino),以表彰三位科学家在锂电池发展所做的贡献。

2019 年诺贝尔化学奖得主 | 诺奖官网

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。」


从无到有

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。

威廷汉作为其中一员开始研究超导体,并发现一种能量充分的材料——二硫化钛,他运用这种材料作为锂电池正极,金属锂作为负极材料。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。锂电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点。

然而当时的锂电池也存在一定缺陷,金属锂是活性的,导致电池爆炸的风险太大。在牛津大学的无机化学实验室担任主任的古迪纳夫推断,惠廷汉姆采用了硫化钛作为储存锂离子的正极材料,当离开了正极的锂离子达到一定数量之时,硫化钛正极材料会因为被掏空而自我坍塌。

古迪纳夫猜测如果用一种金属氧化物而不是硫化物制造正极,锂电池将会得到改善。经过一点一点的试验和摸索之后,古迪纳夫确认用钴取而代之。1980 年,古迪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。


从实验室到工厂

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。

而当钴酸锂电池面世之后,锂电池技术还面临着另一个难题。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。

不过古迪纳夫的研究成果却为吉野彰攻克终极难题奠定了基础。他找到合适的负极材料——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。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。

古迪纳夫和吉野彰的「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。

如果说威廷汉是锂电池的开创者,古迪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。


获奖者生平简介:

John B. Goodenough:1922 年 7 月 25 日在美国出生,美国得州大学奥斯汀分校机械工程系教授、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。1943 年,古迪纳夫在耶鲁大学获得数学系学士学位。1952 到 1976 年,古迪纳夫在 MIT 的林肯实验室工作,主要进行关于内存的材料物理研究。1986 年起,古迪纳夫在德州大学奥斯丁分校担任教授,继续从事能源材料的研究。

John B. Goodenough | 视觉中国        

M. Stanley Whittingham:1941 年出生于英国,纽约州立大学宾汉姆顿大学材料研究所和材料科学与工程专业的主任。1971 年,威廷汉获得 ECS 电化学学会颁发的青年学者奖。2004 年,威廷汉获得 ECS 电化学学会颁发的电池研究奖。

M. Stanley Whittingham | 视觉中国

吉野彰(Akira Yoshino):1948 年 1 月 30 日出生于日本大阪,现任旭化成研究员、名城大学教授。曾获得日本化学会平成 10 年度「化学技术奖」(锂离子二次电池开发)、美国 Electrochemical Soc.「1999 Technica Award of Battery Division」(Pioneering work on lithium ion battery technology)、日本国政府「紫绶褒章」、日本化学会「第 5 届日本化学会特别会员」、美国电气和电子工程师协会 (IEEE) 授予的「IEEE Medal for Environmental and Safety Technologies」、全球能源奖、查尔斯·斯塔克·德雷珀奖等等。

吉野彰 | 视觉中国

关于诺贝尔化学奖:

诺贝尔化学奖是以瑞典著名化学家、硝化甘油炸药发明人阿尔弗雷德·贝恩哈德·诺贝尔(1833-1896)的部分遗产作为基金创立的 5 项奖金之一。自 1901 年以来,诺贝尔化学奖共颁发了 110 次。因受二战影响和秉着「宁缺毋滥」的原则,化学奖有 8 年没有颁发。截至 2019 年,共有 183 人获得诺贝尔化学奖,其中只有 5 名女性。英国生物化学家弗雷德里克•桑格曾两次获此殊荣。

1901 年,第一个诺贝尔化学奖授予了荷兰的雅克布·亨里克斯·范·特霍夫,他发现了溶液中的化学动力学法则和渗透压规律。化学界的学术领域主要包括,有机化学,无机化学,分析化学,生物化学,物理化学,理论化学。从以往的获奖中可以看出,获奖成果并非出自传统的化学研究,而是涉及生物学、物理学等多重学科,因此诺贝尔化学奖也被调侃为「理科综合奖」。


延伸阅读:

本年首个诺贝尔奖公布,让细胞缺氧来治疗癌症(2019 年诺贝尔生理学或医学奖)

本年诺贝尔物理学奖公布,曾两次重构了人们的宇宙观(2019 年诺贝尔物理学奖)


责任编辑:宋德胜

题图来源:CNN

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