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锂电池得以大规模商用,离不开这三位诺贝尔化学奖得主的贡献
2019-11-01 15:05:44
[摘要] 本届诺贝尔化学奖获奖者钛媒体注:10月9日,2019年诺贝尔化学奖发布,美科学家约翰·古迪纳夫、斯坦利·惠廷汉姆和日本科学家吉野彰,因在锂离子电池研发领域作出的贡献而获奖。与此同时,第三位今年的诺贝尔

诺贝尔化学奖获得者

钛媒体注意:10月9日,2019年诺贝尔化学奖公布。美国科学家约翰·古德诺、斯坦利·惠廷翰和日本科学家阿基拉·吉野因对锂离子电池的研究和开发做出贡献而获奖。

其中,奥斯汀得克萨斯大学的古德教授被誉为“锂电池之父”。他是钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂阴极材料的发明者。他今年97岁,已经成为诺贝尔奖历史上最老的获奖者。

三位科学家开发的锂电池已经开始了便携式电子设备的制造过程。自从锂电池在1991年首次进入市场以来,它已经改变了全世界消费者的生活。锂电池可以储存大量的清洁能源,如太阳能和风能,使无化石燃料的社会成为可能。

追溯世界锂电池领域的成就充满传奇色彩。

在锂电池发明之前,必须提及的是法国普拉特(French Pratt)在1859年发明的经典铅酸电池至今仍被广泛使用。然而,铅酸电池的缺点是密度太低——鉴于汽车的特殊应用场合,电池的质量与体积之比太小而不能影响电池的利用率,或者牺牲了汽车后备箱中的空间,因此铅酸电池不能用作电动汽车的能源,镍镉电池和镍氢电池也同样包括在内。

通过元素周期表消去法的研究,可以发现锂的储量相对较高。因此,锂电池的研究已经成为世界上许多国家的一个话题。

首先,锂电池领域的创始人是英国化学家惠廷翰。他在锂电池领域的突出贡献是避免了早期“锂转化”引起的化学键断裂和复合所带来的结构变化(常见的例子是碳具有不同的结构:金刚石、石墨、c60等性质不同),并使用另一种技术途径:锂嵌入实现它。

早期锂电池可以通过上述反应来表达,产生的“锂枝晶”容易引起电动车自燃。

简而言之,以特殊的层状材料为主体,锂离子为客体,它们可以随意插层或脱层,而不影响主体的材料结构。

斯坦利·惠廷汉姆(Stanley Whittingham)以硫化钛为正极材料,锂金属为负极材料,制造了世界上第一款新型锂离子电池。

从那以后,被称为锂电池之父的美国化学家古德托(Goodtoy)突破了所有障碍,发现了目前生产和生活中使用的大多数锂电池阴极材料。他的科学生涯更加传奇。

古德诺年轻时在美国耶鲁大学主修文学和数学。化学只是他大一的选修课,但他在自然科学领域有着杰出的天赋和不懈的追求。1943年,在耶鲁大学获得数学学士学位后,古德诺计划开始学习物理。然而,当第二次世界大战爆发时,古德诺在战争中服役。战争结束后,他继续学习物理,教授们认为他“太老了,不能在这个领域取得成就”。

然而,古德伊尔并没有气馁。获得固态物理博士学位后,他于1952年至1976年在林肯实验室工作,研究能源和原材料的相关工作。

当美国受到阿拉伯国家的石油禁运时,能源问题的突出使得已经有半个多世纪历史的古德托公司决定致力于锂电池的研究。惠廷翰发明了一种放电时会爆炸的可充电锂电池,经过反复实验计算,古德托发现了具有层状结构的钴酸锂,它比以前的硫化钛更适合作为锂电子电池的阴极材料。

与此同时,今年第三位诺贝尔化学奖得主、71岁的日本人秋叶吉野上台。当时,也在尽最大努力解决锂离子电池问题的吉野·阿基拉(·阿基拉)找到了合适的阳极材料,并被阴极材料困住,直到他读完古德托的论文。

吉野回忆道,古德伊尔的发现给他提供了他需要的一切,钴酸锂可以将现有锂镉电池的重量减轻三分之一。在此基础上,吉野阿基拉设计的锂离子电池采用碳基材料作为阳极,钴酸锂作为阴极,完全去除电池中的金属锂,从而提高安全性。此后,吉野·阿基拉对锂离子电池进行了许多技术改进,如使用铝箔作为集电器,聚乙烯薄膜作为离子分离器。

1991年,两人共同发明的锂离子电池被索尼引入市场,标志着锂离子电池的大规模使用。

与此同时,原来和板砖一样大小的“手机”不再存在,取而代之的是由锂电池供电的轻型手机。目前,国内外电动汽车的蓬勃发展是由于锂电池的使用。

在锂电池的大规模商业使用之后,像古德沃勒这样的科学家从未停止他们对能源原材料的研究。1996年,Goodtoy和另一位科学家padhi发现了具有橄榄石结构的磷酸盐,如磷酸铁锂(lifepo4),它比传统阴极材料更安全,更耐高温。锂电子材料得到了进一步发展。

纵观电池发展的历史,我们可以看到当前世界电池产业发展的三个特点:第一,环境保护:包括锂离子电池、镍氢电池等。第二,原电池向二次电池的转化符合可持续发展战略。第三,电池进一步发展成小、轻、薄的。

在商用可充电电池中,锂离子电池的比能最高,尤其是聚合物锂离子电池,可以实现可充电电池的薄型化。正是因为锂离子电池具有高比容能和比质量能、可充电和无污染,并且具有当前电池行业发展的三大特点,所以在发达国家发展迅速。

电信和信息市场的发展,特别是手机和笔记本电脑的大规模生产,给锂离子电池带来了市场机遇。然而,锂电池的“技术革命”仍在进行中,主要包括三个仍需创新的方敏:电池能量密度、功率密度和安全系数。

97岁的古德拜厄曾在中国学生黄云辉50岁生日时用“云辉,50岁只是开始。生日快乐”。这也符合他自己的精神,即只有当他知道自己的命运时,才致力于能源和原材料的研究和不懈的研究。

古德托本人说他将再工作5年,102岁退休。能源材料的科研前辈们积累了丰富的人才。未来,新型电子将继续创新人类生活。

(钛媒体编辑陶陶陶,由腾讯新闻、智虎和新浪新闻合成)

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