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日本科学家再获诺奖锂电池发明者获得诺贝尔化学奖

发布时间:2019-10-09 来源: 责任编辑:责任编辑NO。许安怡0216

10月9日北京时刻17点45分许,2019年诺贝尔化学奖揭晓,美国化学家斯坦利·惠廷厄姆(Stanley Whittingham)、约翰·古德伊纳夫(John Goodenough)以及日本化学家吉野彰(Akira Yoshino)因在锂离子电池范畴的突出贡献,摘得本年度的奖项。

上世纪70年代,供职于美国埃克森石油公司的斯坦利·惠廷厄姆创造晰锂电池。他选用硫化钛作为正极资料,金属锂作为负极资料,制成首个锂离子电池。古德伊纳夫则是可充电锂离子电池的创造者,并且领导了项目组创造晰能够量产的锂离子电池和磷酸铁锂电池技能。他引领的项目组和SONY公司合作开发出了依据碳资料正极和锂钴氧LiCoO2资料负极的可充电离子电池,也便是现在广泛选用的锂离子电池技能。

1983年,吉野彰(Akira Yoshino)提出了咱们今日所知的锂离子电池专利申请,选用了原始概念并将其变得为安全,高效和牢靠。他用一种叫做聚乙炔的安全导电塑料代替了阳极上不安稳的锂金属。他还在反响层之间引入了一种依据聚乙烯的热敏膜。当电池过热时,薄膜会消融并起保险丝的效果,以阻挠整个结构着火。这是第一个进入商场和消费用的锂离子电池规划。

在惠廷厄姆、古德伊纳夫、吉野彰等人的研讨作业的推进下,商业化的锂电池在20世纪90年代在日本推出。跟着几十年的开展,锂离子电池现已运用在了地球上简直每一个便携式电子设备上。

约翰·古德伊纳夫(John Goodenough)生于1922年,是美国固体物理学家,美国国家工程学院、美国国家科学院院士。古德伊纳夫在1951年和1952年分别在芝加哥大学的物理学取得硕士和博士学位,结业后在马萨诸塞理工学院林肯试验室任职,为数字计算机的随机存取存储器(RAM)开发奠定了根底。脱离麻省理工学院后,1976年至1986年,他参加牛津大学,任无机化学试验室主任。在此期间, 古德诺夫发现将钴酸锂用作电极,能够显着前进锂电池的能量密度,他的许多发现成为了后来锂电池工业的奠基。他于 1986 年参加得克萨斯大学奥斯汀分校,任教和进行科研至今。本年,95岁高龄的古德伊纳夫还带领团队研制出了首个全固态电池。(点击了解概况)

斯坦利·惠廷厄姆(Stanley Whittingham)1941年出世,1968年在牛津大学取得博士学位。结业后,惠廷厄姆博士前往斯坦福大学做博士后。他于1972年至1984年在埃克森美孚研讨与工程公司作业。之后他在斯伦贝谢作业了四年,随后成为宾汉姆顿大学的教授。作为锂离子电池的开拓者,惠廷厄姆一向被媒体猜测为诺贝尔化学奖抢手人选,科学界对他夺得诺贝尔化学奖的呼声一向很高。77岁高龄的惠廷厄姆现在仍和古德伊纳夫相同,作业在锂离子电池研讨的第一线。

吉野彰(Akira Yoshino)生于1948年1月30日,日本化学家,旭化成公司研讨员,名城大学教授。

在57岁时,古德伊纳夫创造晰锂电池中最重要的部件,为锂电池的开展做出重要贡献;如本年过九旬,他仍旧走在锂电池研讨的最前沿。下面这篇文章,将带领咱们回忆古德伊纳夫的科研之路。

看到这篇文章之前,你或许从未听说过 John Bannister Goodenough。可是你必定知道他研讨的东西,事实上你很有或许具有他的“著作”。

回忆过去六七十年间的科技腾跃:脊髓灰质炎疫苗,宇宙飞船,阿帕网(互联网前身)等等。除了这些,还有两项创造对经济和社会开展影响深远。假如没有这项创造,国际各地人们的日子都将彻底不同。

第一项严重创造是1947年诞生于贝尔试验室的晶体管。它的呈现改动了电子产品,奠定了全球经济和现代文明的根底。第二项创造是锂电池。1991年索尼公司开端商业化出产锂电池,随后锂电池产品逐渐代替了依靠晶体管的粗笨电子设备。

锂电池拓宽了晶体管的运用规模。假如没有锂电池,就不会有智能手机,平板电脑和笔记本电脑,以及你现在阅览这篇文章所用的设备。当然也不会呈现苹果、三星、特斯拉等公司。

1980年,57岁的物理学家 Goodenough 他创造晰锂电池中最重要的部件,钴氧化物阴极。现在全国际的便携电子设备都选用这种阴极。

现在,年过九旬的 Goodenough 先生仍每天都去德克萨斯大学奥斯汀分校的小作业室上班。对此他解释道,我的作业还没有完结。在钴氧化物阴极创造35年后,电动动力轿车在价格上依然不能与传统的内燃机轿车竞赛。而太阳能和风能发电的贮存本钱太高,只能当即运用。咱们的远景不容乐观:尽管现在石油价格低廉,但依据商品价格动摇周期规则,其价格必然会上升;一同气候变化问题也愈演愈烈。

简而言之,国际需求超级电池。Goodenough 说:“否则的话,我只能说未来咱们将通过战役来抢夺最终的动力,全球变暖也会开展到不行操控的境地。”

好音讯是 Goodenough 正和博士后帮手们研讨一个新主意。他说:“我想在逝世前处理这个问题,我才九十多岁,还有时刻。”

电池研讨的土壤

电池是使带电离子在两个电极间定向移动的设备。电荷定向移动发生电流供给电器作业。

制造电池需求两个电极,离子在电极之间移动。电极之间的电解质溶液作为离子移动的介质。帯负电的电极为阳极,帯正电为阴极。当电池放电(如为电器供电)时阳离子从阳极到阴极运动发生电流。可充电电池在外接电源充电的过程中,阳离子从头回到阳极贮存电能。

简直全部电池规划最终都归结到阳极、阴极及电解质资料的挑选。它们决议了电池的储电才能和放电速度

早在1859年,Gaston Planté 就创造晰铅酸电池(运用铅电极和硫酸电解液)。二十世纪前期,运用铅酸电池的电动轿车功能好像优于运用汽油的内燃机轿车。内燃机噪音很大并且很脏,启动时还要摇摆沉重的手柄。比较之下,电动轿车简单操作并且安静。可是,轿车电子打火设备等一系列创造使内燃机逐渐占有优势。几十年来,很少人以为电动轿车会代替内燃机轿车。

商业立异运用电能代替内燃机的主意东山再起。国际各地的研讨者争相研讨电池,期望成为下一个福特。那时还在MIT作业的 Goodenough 说,全部忽然发生了改动,电池的研讨不再无聊了。这种疯狂继续到了下个十年,并跟着阿拉伯石油禁运的影响变得越发高涨。

电能从头回到了舞台,Goodenough 也参加了竞赛。在之后的二十年里,他创造或参加创造晰现代电池开展中简直全部的首要效果。

第一代锂电池

Goodenough 在牛津大学作业时,英国化学家 Stan Whittingham 在电池范畴取得严重打破。他和斯坦福大学的搭档一同发现了在硫化钛层片之间存储锂离子的层状电极资料。锂离子能够在电极间来回络绎,具有充电才能,并且能够在室温下作业。Wittingham 用化学术语 intercalation(夹层)命名这种存储办法。

这个音讯招引了广泛重视。石油巨子埃克森美孚约请 Whittingham,依据他在斯坦福的作业,隐秘研制新式电池。1976年,埃克森美孚申请了锂电池创造专利。

在此之前的60年里,消费类电子产品的标准电池是一次性碳锌电池。(和它比较,铅酸电池巨大沉重,只能用于轿车。)一同运用的还有镍镉电池。Whittingham 的效果以简便和电量足的特色逾越了这两种电池。假如研讨成功,它将能给更小更便携的设备供电。

但还有个物理规则挡在前面。锂电池作业的电化学反响使它简单爆破。当过充时,电池或许自燃。即使你当心避免了这些问题,电池也会在重复充放电过程中逐渐衰减。试验室爆破和电池衰减这些问题困扰着 Whittingham 的作业。

Goodenough 以为他能规划出一种更有用、没有丧命缺点的电池。美孚的电池选用硫化钛作为存储锂离子的负极资料。而 Goodenough 在麻省理工时分非常了解金属氧化物资料。据他判别,氧化物电极答应更高电压的充放电。依据物理学规律,能够贮存更多能量并且不易爆破。这值得一试。

钴酸锂·尖晶石·磷酸铁

但还有一个潜在的问题。电极之间贮存的可移动的锂离子越多,电极开释的能量越多。Goodenough 考虑到,假如锂在阴极资猜中占了很大一部分,当锂离子转移到阳极时,阴极由于失掉许多离子中空很或许陷落。有没有一种金属氧化物能够接受这种影响呢?假如有的话,会是哪一种?这种资料和锂的份额该是多少?

Goodenough 辅导两个博士后帮手有条有理研讨一系列金属氧化物结构。他让帮手们确定在锂游离需求的电压(他的期望值远高于 Whittingham 电池的2.2V)以及游离锂离子的份额。

效果显现电极能够接受4伏的电压,有一半的锂游离出来。这满意用于可重复运用的电池。在他们测验的氧化物中,帮手们发现钴氧化物是最好最安稳的资料

Goodenough(前排左二)与搭档合影,摄于1982年牛津大学。

1980年,Goodenough 到了牛津四年后,锂电池钴氧化物阴极资料成为巨大打破。这是国际上第一个能够给大型杂乱设备供电的锂离子电池,质量远超商场上其它电池。这种电池存储的能量是商场上室温可充电电池的二到三倍。它不只体积更小并且功能相同乃至更好。

1991年,索尼结合 Goodenough 的阴极和碳阳极技能出产了国际上第一个商业化可充电锂离子电池,一夜之间颤动全球。索尼还将锂离子电池运用于相机。愈加简便漂亮的索尼相机很快风行各地。

索尼的竞赛对手也敏捷推出了相似的电池和手持相机,并把锂离子电池运用到笔记本电脑和手机上,构成了每年数十亿美元的工业。索尼的打破引发了锂离子电池研讨的热潮,国际各地的试验室都开端寻觅体积更小、储能更多的锂离子电池结构。

在这之前,没有人预料到这项研讨有如此巨大商业商场。

在常用的钴阴极资猜中,原子呈层状堆积,贮存其间的锂离子只能在原子层之间运动。Goodenough 以为尖晶石的原子摆放办法答应离子在三维空间中运动,这样离子就有更多收支电极板的途径,前进了充放电速度。1982年,Goodenough 牛津大学的博士后帮手 Mike Thackeray 创造晰更先进的锰尖晶石电极。比较一年前 Goodenough 的钴氧化物电极,这种电极更安全廉价。

Padhi 和日本 NTT 公司在 Goodenough 试验室作业的研讨人员 Okada 一同寻觅更好的尖晶石资料。

他们测验了不同资料,如钴、锰和钒,都没有成功。最终他们的名单里只剩下一种磷铁化合物,Goodenough 以为他们最终只能挑选尖晶石,把这个主意告知 Padhi 后他就去休假了。

Goodenough 回来后从 Padhi 处得知,正如他的猜测,Padhi 的确没有取得尖晶石结构。可是他发现了一种天然构成的新式橄榄石结构,并成功从橄榄石结构中提取放回锂离子。通过查看,Goodenough 发现效果令人惊叹。这是第三次了!第一次是钴氧化合物,接着是尖晶石,现在是磷酸铁,Goodenough 的试验室诞生了三种首要的可商业化的锂离子电池阴极资料。

尽管 Padhi 的研讨效果被日本 NTT 公司的研讨人员 Shigeto Okada 盗取率先在日本申请专利。Goodenough 试验室被逼卷进与日本NTT公司、MIT Yet-Ming Chiang 教授的A123公司的专利之争。但业界普遍以为全部的技能都源于 Goodenough 的试验室。

壮心不已

一位年过九旬的巨大创造家会得到许多荣誉,Goodenough 也是这样。他简直每年都会被提名诺贝尔奖,一般和他一同提名的还有日本化学家 Akira Yoshino。Akira Yoshino 将美国人创造的阴极和石墨阳极结合,制造了第一个使索尼公司一炮而红的锂电池。2013年,Goodenough 取得美国总统奥巴马颁布的美国国家科学奖章;2009年,他取得了费米奖。事实上,也有奖项以 Goodenough 命名。2009年起英国皇家化学学会每年在资料化学范畴颁布“John B. Goodenough奖”。

但 Goodenough 好像想以一个巨大的新创造为科学生计画上句号。他正在研制一种真实能让电动轿车和内燃机轿车对抗的超级电池,并期望这种电池能够经济地存储风能和太阳能。

他挑选的研讨方向触及电池科学范畴里最难的问题之一:如何用纯锂或许钠制造电池阳极?假如这种电池研制成功,将比现有的锂电池多存储60%的能量。这将马上使电动车具有和燃油轿车抗衡的实力。多年来,许多科学家都进行了失利的测验。例如70年代 Exxon 公司的 Stan Whittingham 试验室屡次由于锂电池研讨起火。

尽管 Goodenough 并未说明新主意,可是他以为自己现已有了一些条理。并且依据他之前的效果,电池范畴的学者们并不太置疑这点。现在上任于美国阿贡国家试验室、曾在 Goodenough 的辅导下发现了锰尖晶石的南非人 Thackeray说:“他依然很敏锐,他的思维仍在打破”, “这个范畴的打破必定是以出其不意的办法呈现。Goodenough 便是那种打破常规的人。

这项研讨的赌注很高,Goodenough 批驳许多与他竞赛的研讨办法。例如,在他看来,特斯拉的 Elon Musk 只满意于“把电动轿车卖给好莱坞那些有钱人”,把适用于中产阶级的轿车电池研讨交给其他科学家。这种控诉不彻底正确。尽管Musk 把车以每辆8万到10万美元的价格卖给精英阶级,但他正在逐渐改善电池,许诺到2018年将出产一款3.5万美元的轿车满意更大的商场。

Goodenough 相同看不上那些每年仅仅前进7%~8%电池功率的研讨。他说“咱们需求一些显着的前进,而不是每次前进一点点。

包含他自己,没有人能够必定 Goodenough 这次会成功,仅仅他还没有抛弃。超级电池的研制的确很难。Goodenough 说每个人都应该不断的去测验打破。他指出,在毁灭性的动力危机和环境问题降临之前,咱们还有30年的时刻研制新电池并使之商业化。他以为时刻满意。他说:“许多人都在研讨锂电池,这些人都很聪明。我不敢说自己是仅有能处理这个问题的人。”

可是他很或许处理这个问题。这也是那些了解他的人一向重视 John Bannister Goodenough 的原因。

Goodenough 在德州大学奥斯汀分校的试验室中

撰文 Steve LeVine

编译 代宇辉徐付琪 张士超

http://qz.com/338767/the-man-who-brought-us-the-lithium-ion-battery-at-57-has-an-idea-for-a-new-one-at-92/

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