迟来的荣耀!2019诺贝尔化学奖授予锂电池发明人

发布时间: 2019-10-10 01:03:39 来源: 文汇网 栏目: 科技新闻 点击: 355

今年的诺贝尔化学奖得主John Goodenough教授(左)、Stanley Whittingham教授(中),以及吉

迟来的荣耀!2019诺贝尔化学奖授予锂电池发明人

今年的诺贝尔化学奖得主John Goodenough教授(左)、Stanley Whittingham教授(中),以及吉野彰博士(右)

北京时间10月9日下午5点45分,2019年诺贝尔奖的最后一个自然科学类奖项揭晓——美国化学家约翰·古德伊纳夫(John Goodenough)、斯坦利·惠廷厄姆(Stanley Whittingham)以及日本化学家吉野彰(Akira Yoshino)因在锂电池发明道路上所做的奠基性贡献,荣获今年的诺贝尔化学奖。

在过去的几十年里,只有屈指可数的发明彻底改变了整个世界,其中就有锂电池的一席之地。举个简单的例子,如果没有锂电池,你现在就无法通过手头的这款设备读到这条新闻。

电池:时代一度的弃儿

锂电池是怎么诞生的呢?这还要从1960年代说起。当时,电池并不是什么新鲜玩意儿。大家早就知道电池需要有两个电极,电极之间需要有电解质,让离子移动。电池的两个电极分别叫做阴极和阳极。在电池放电时,带正电的离子会从阳极跑到阴极,产生电流。

可想而知,用于两个电极与电解质的材料,决定了电池的性能。为了改造电池,科学家们需要尝试各种不同的材料。这看上去是一件枯燥的事,也没有多少人愿意投身其中。

迟来的荣耀!2019诺贝尔化学奖授予锂电池发明人

推出T型车的福特公司,在无意中激起了研究电池的热潮

然而1966年,福特公司彻底改变了这个情况。在推出了著名的T型车后,福特公司决定投资电力驱动的汽车。为了提供车辆行驶的能源,福特公司计划开发一种新的电池,储存的能量要是原先的15倍之多。按设想,这种新电池每次只需要充电1小时,就能驾驶322公里,听起来非常吸引人。

从现在看,福特公司的豪言并没有真正兑现。但这却在当时激起了一股研究电池的热潮。“一瞬间,所有的事情都改变了,电池不再是枯燥乏味的领域”,Goodenough教授回忆说。这股对电池的狂热一直持续到了70年代:在石油危机的影响下,人们越发相信,电力驱动才是未来。

锂电池的诞生

而锂电池就是人们提出的新型电池之一。当时任职于Exxon公司的Whittingham博士造出了锂电池的雏形。他指出,二硫化钛与锂有望成为一种全新的电池系统。这两者之间的电化学反应非常迅速,且在环境温度下是可逆的。这表明我们可以给这种电池充电。在1976年的一篇《科学》论文中,Whittingham博士指出二硫化钛是能作为阴极的新一代固体材料。

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短短两页论文,带来了锂电池的雏形

但锂电池的雏形并没有得到广泛应用,这背后有着多种原因。首先,二硫化钛太贵了(当时售价每公斤1000美元),不适合作为电池的材料。其次,在与空气接触后,二硫化钛也会产生硫化氢。这种分子不仅具有恶臭气味,还对动物有毒性。此外,金属锂制成的电极非常活泼,容易带来起火或爆炸等安全隐患。考虑再三,Exxon公司决定放弃这款锂电池的研发计划。

但其他科学家们并没有放弃此类新型电池。既然问题出在电极的材料上,或许替换电极就能解决问题。1980年,Goodenough教授的团队做出突破。他们发现锂的金属氧化物或许能成为锂电池的电极。一方面,它依然能释放锂离子;另一方面,它更为稳定,没有安全隐患。在当年的《Materials Research Bulletin》杂志上,他的团队表明钴酸锂(LiCoO2)能成为锂电池的阴极材料。时至今日,我们依旧在使用这种材料制造锂电池。

迟来的荣耀!2019诺贝尔化学奖授予锂电池发明人

锂电池的结构示意图

而电池另一极的研发则稍微遇到了些曲折。同样是在1980年,一些科学家指出,石墨或许能成为锂电池的阳极材料。然而电池中的一些可溶分子会插入到石墨的碳结构中,造成破坏。而吉野彰博士与其同事则使用聚乙炔(polyacetylene)作为阳极材料,一举取得了成功。1985年,利用钴酸锂和聚乙炔,吉野彰博士制造出了第一块现代锂电池。1991年,索尼与旭化成株式会社共同推出了第一块商业化的锂电池。一个崭新的时代到来了。

自那时起,这三人就一直被视为诺贝尔化学奖的有力竞争者,却屡屡与获奖无缘。如今,距离这些科学家们的创新发明,已经过去了30多年。而今日授予他们的诺贝尔化学奖,也是对他们为这世界所作重大改变的最佳认可!

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