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诺贝尔化学奖揭晓锂电池发明者获奖中国数 [复制链接]

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10月9日北京时间17点45分许,年诺贝尔化学奖揭晓,美国化学家斯坦利·惠廷厄姆(StanleyWhittingham)、约翰·古德伊纳夫(JohnGoodenough)以及日本化学家吉野彰(AkiraYoshino)因在锂离子电池领域的突出贡献,摘得本年度的奖项。

人物介绍

上世纪70年代,供职于美国埃克森石油公司的斯坦利·惠廷厄姆发明了锂电池。他采用硫化钛作为正极材料,金属锂作为负极材料,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发明者,并且领导了项目组发明了可以量产的锂离子电池和磷酸铁锂电池技术。他引领的项目组和SONY公司合作开发出了基于碳材料正极和锂钴氧LiCoO2材料负极的可充电离子电池,也就是目前广泛采用的锂离子电池技术。

年,吉野彰(AkiraYoshino)提出了我们今天所知的锂离子电池专利申请,采用了原始概念并将其变得为安全,高效和可靠。他用一种叫做聚乙炔的安全导电塑料代替了阳极上不稳定的锂金属。他还在反应层之间引入了一种基于聚乙烯的热敏膜。当电池过热时,薄膜会融化并起保险丝的作用,以阻止整个结构着火。这是第一个进入市场和消费用的锂离子电池设计。

在惠廷厄姆、古德伊纳夫、吉野彰等人的研究工作的推动下,商业化的锂电池在20世纪90年代在日本推出。随着几十年的发展,锂离子电池已经应用在了地球上几乎每一个便携式电子设备上。

约翰·古德伊纳夫(JohnGoodenough)生于年,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。古德伊纳夫在年和年分别在芝加哥大学的物理学获得硕士和博士学位,毕业后在马萨诸塞理工学院林肯实验室任职,为数字计算机的随机存取存储器(RAM)开发奠定了基础。离开麻省理工学院后,年至年,他加入牛津大学,任无机化学实验室主任。在此期间,古德诺夫发现将钴酸锂用作电极,可以显著提升锂电池的能量密度,他的诸多发现成为了后来锂电池工业的奠基。他于年加入得克萨斯大学奥斯汀分校,任教和进行科研至今。今年,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。

斯坦利·惠廷厄姆(StanleyWhittingham)年出生,年在牛津大学获得博士学位。毕业后,惠廷厄姆博士前往斯坦福大学做博士后。他于年至年在埃克森美孚研究与工程公司工作。之后他在斯伦贝谢工作了四年,随后成为宾汉姆顿大学的教授。作为锂离子电池的开拓者,惠廷厄姆一直被媒体预测为诺贝尔化学奖热门人选,科学界对他夺得诺贝尔化学奖的呼声一直很高。77岁高龄的惠廷厄姆目前仍和古德伊纳夫一样,工作在锂离子电池研究的第一线。

吉野彰(AkiraYoshino)生于年1月30日,日本化学家,旭化成公司研究员,名城大学教授。

在57岁时,古德伊纳夫发明了锂电池中最重要的部件,为锂电池的发展做出重要贡献;如今年过九旬,他依旧走在锂电池研究的最前沿。下面这篇文章,将带领我们回顾古德伊纳夫的科研之路。

看到这篇文章之前,你可能从未听说过JohnBannisterGoodenough。但是你一定知道他研究的东西,事实上你很有可能拥有他的“作品”。

回顾过去六七十年间的科技飞跃: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,还有两项发明对经济和社会发展影响深远。如果没有这项发明,世界各地人们的生活都将完全不同。

第一项重大发明是年诞生于贝尔实验室的晶体管。它的出现改变了电子产品,奠定了全球经济和现代文明的基础。第二项发明是锂电池。年索尼公司开始商业化生产锂电池,随后锂电池产品逐渐取代了依赖晶体管的笨重电子设备。

锂电池拓宽了晶体管的应用范围。如果没有锂电池,就不会有智能手机,平板电脑和笔记本电脑,以及你现在阅读这篇文章所用的设备。当然也不会出现苹果、三星、特斯拉等公司。

年,57岁的物理学家Goodenough他发明了锂电池中最重要的部件,钴氧化物阴极。现在全世界的便携电子设备都采用这种阴极。

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办公室上班。对此他解释道,我的工作还没有完成。在钴氧化物阴极发明35年后,电动能源汽车在价格上仍然不能与传统的内燃机汽车竞争。而太阳能和风能发电的储存成本太高,只能立即使用。我们的前景不容乐观:虽然现在石油价格低廉,但根据商品价格波动周期规律,其价格必然会上升;同时气候变化问题也愈演愈烈。

简而言之,世界需要超级电池。Goodenough说:“不然的话,我只能说未来我们将通过战争来争夺最后的能源,全球变暖也会发展到不可控制的地步。”

好消息是Goodenough正和博士后助手们研究一个新想法。他说:“我想在去世前解决这个问题,我才九十多岁,还有时间。”

电池研究的土壤

电池是使带电离子在两个电极间定向移动的装置。电荷定向移动产生电流供应电器工作。

制作电池需要两个电极,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产生电流。可充电电池在外接电源充电的过程中,阳离子重新回到阳极储存电能。

几乎所有电池设计最后都归结到阳极、阴极及电解质材料的选择。它们决定了电池的储电能力和放电速度。

早在年,GastonPlanté就发明了铅酸电池(使用铅电极和硫酸电解液)。二十世纪早期,使用铅酸电池的电动汽车性能似乎优于使用汽油的内燃机汽车。内燃机噪音很大而且很脏,启动时还要摇动沉重的手柄。相比之下,电动汽车容易操作而且安静。然而,汽车电子打火装置等一系列发明使内燃机逐渐占据优势。几十年来,很少人认为电动汽车会取代内燃机汽车。

商业创新使用电能替代内燃机的想法卷土重来。世界各地的研究者争相研究电池,希望成为下一个福特。那时还在MIT工作的Goodenough说,一切突然发生了改变,电池的研究不再无聊了。这种狂热持续到了下个十年,并随着阿拉伯石油禁运的影响变得越发高涨。

电能重新回到了舞台,Goodenough也加入了竞争。在之后的二十年里,他发明或参与发明了现代电池发展中几乎所有的主要成果。

第一代锂电池

Goodenough在牛津大学工作时,英国化学家StanWhittingham在电池领域取得重大突破。他和斯坦福大学的同事共同发现了在硫化钛层片之间存储锂离子的层状电极材料。锂离子可以在电极间来回穿梭,具备充电能力,并且可以在室温下工作。Wittingham用化学术语intercalation(夹层)命名这种存储方式。

这个消息吸引了广泛

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