详解2019诺贝尔化学奖:他们创造了世界最强大年夜的电池

详解2019诺贝尔化学奖:他们创造了世界最强大年夜的电池
2019年10月09日 20:01 新浪科技

  新浪科技讯 北京时间10月9日消息,瑞典皇家迷信院决定将2019年诺贝尔化学奖授予约翰·古迪纳夫(John B。 Goodenough)、斯坦利·威廷汉(M。 Stanley Whittingham)和吉野彰,以表扬他们对锂离子电池的研究。这类可充电电池为手机和笔记本电脑等无线电子产品奠定了基本,还使一个无化石燃料的世界成为能够。从为电动汽车供给动力,到贮存可再生动力,锂离子电池展示出了广泛的用处。

  引言

  电能为我们的生活供给了能量,不管甚么时候何地,我们都须要电能。如今,即使邻近没有电源插座,我们也能够非常便利、高效地获得电能。我们的移动方法愈来愈自由自在,对电线的依附也愈来愈少,可以在一个能够更安康的情况中享用高灵活性。这一令人注目标生长是由高效的储能设备完成的。高容量电池使各类电动对象和车辆成为能够。准绳上,我们都可以便捷地应用手机、相机、笔记本电脑、电动对象等,依附高效的电池为它们供给动力。随着现代电池技巧的生长,电动汽车也愈来愈受迎接。我们正处在摆脱化石燃料汽车的时代。另外,有效的动力贮存是对不稳定的动力(如风能和太阳能)的重要弥补。有了电池,供需链可以随着时间的推移而均衡,即使在没有动力产出的情况下也是如此。

  在很大年夜程度上,锂离子电池使这些生长成为能够。这类电池完全改变了能量存储技巧,并促进了移动革命的完成。经过过程锂离子电池的高电势,高能量密度和高容量,这类电池类型为改良我们的生活做出了巨大年夜供献,并将在将来几年持续发挥感化。但是,整体而言,电池的生长异常艰苦且具有挑衅性,特别是锂电池。自1800年亚历山德罗·伏特提出他有名的“电池堆”以来,有数的迷信家和工程师为电池的开辟投入了巨大年夜的尽力。

  从根本构造上,电池的任务道理是相对简单的。电池由两个电极构成,每个电极连接到一个电路,电解液可以包容带电的物质。平日情况下,电极之间被一种隔离材料隔开,这类隔离材料可以防止电极之间的物理接触,从而防止电池短路。在放电形式下,当电池驱动电流时,负极(阳极)产生氧化过程,招致电子从电极流出并穿过电路。在正极(阴极)会产生一个互补的复原过程,从电路中取得电子。电池电压很大年夜程度上取决于电极的电势差,全部过程是自发的。关于可充电电池,这一过程可以逆转,外加电流可感化于电极,产生互补的氧化复原反响。这个过程长短自发的,须要能量输入。

  很多在学术界、工业界乃至是自力任务的迷信家和工程师都为电池的生长做出了供献,他们也深深懂得开辟高效电池是一项异常艰苦的义务。是以,电池生长相对迟缓,只要极多数有效的电池设备在设计成功后应用多年。例如,我们依然依附于19世纪中期创造的铅酸电池。虽然如此,经过过程一系列冲破性的多学科迷信发明,包含电化学、无机和无机化学、材料迷信等,研究人员处理了诸多挑衅,终究锂离子电池成为实际,从根本上改变了我们的世界。

  背景

  一种元素很少在戏剧中扮演核心角色,但2019年诺贝尔化学奖的故事中,有一个明白的配角:锂。这是一种在大年夜爆炸的最后几分钟内产生的陈旧元素。1817年,当瑞典化学家Johan August Arfwedson和Jns Jacob Berzelius从斯德哥尔摩群岛乌托矿(Ut Mine)的矿物样本中提纯出这类物质时,人类才知道它的存在。

  Berzelius将这类新元素定名为“lithos”,这个词在希腊语中意思是“石头”。虽然名字很厚重,但它倒是最轻的固体元素。这也正是我们有时简直不会留意得手机的缘由。

  更确切地说,瑞典化学家实际上并没有发明纯金属锂,而是发清楚明了一种盐情势的锂离子。纯锂激起了很多火警警报,特别是在我们将要讲述的故事中;这是一种不稳定的元素,必须贮存在石油中,如许才不会与空气产生反响。

锂是一种金属,其外电子层只要一个电子,是以有很强的动力把这个电子留给另外一个原子。当这类情况产生时,就会构成一个更稳定的带正电荷锂离子。  锂是一种金属,其外电子层只要一个电子,是以有很强的动力把这个电子留给另外一个原子。当这类情况产生时,就会构成一个更稳定的带正电荷锂离子。

  锂的弱点是反响性,但这也是它的长处。20世纪70年代初, 斯坦利·威廷汉开辟了第一块功能齐备的锂电池,他应用了锂释放其外层电子强大年夜驱动力。1980年,古迪纳夫将电池的电势进步了一倍,为开辟更强大年夜、更实用的电池创造了合适的条件。1985年,吉野彰成功地从电池中去除纯锂,而是完全基于锂离子,由于锂离子比纯锂更安然。

  这使得锂电池成了实际可行的电池。锂离子电池给人类带来了巨大年夜的好处,使笔记本电脑、手机、电动汽车和太阳能和风能的贮存成为能够。

  我们将回到50年前,回到锂离子电池最后的时代。

  石油阴霾使电池研究重获重生

最后的可充电电池的电极中含有固体物质,当它们与电解液产生化学反响时就会分化。这一过程会损毁电池。斯坦利·威廷汉的锂电池的长处是,锂离子贮存在阴极的二硫化钛空间中。当电池应用时,锂离子会从阳极的锂流向阴极的二硫化钛;而当电池充电时,锂离子又会回流。  最后的可充电电池的电极中含有固体物质,当它们与电解液产生化学反响时就会分化。这一过程会损毁电池。斯坦利·威廷汉的锂电池的长处是,锂离子贮存在阴极的二硫化钛空间中。当电池应用时,锂离子会从阳极的锂流向阴极的二硫化钛;而当电池充电时,锂离子又会回流。

  20世纪中期,世界上应用汽油的汽车数量明显增长,汽车排放的废气使大年夜城市里的有害雾霾加倍严重。与此同时,人们日趋熟悉到石油是一种无限资本。这一切都为汽车制造商和石油公司敲响了警钟。假设他们的企业要生计下去,就须要投资电动汽车和替换动力。

  电动汽车和替换动力都须要强大年夜的电池来贮存大年夜量的能量。实际上,当时市场上只要两种类型的可充电电池:早在1859年创造的铅酸电池(今朝依然用作燃油汽车的启动电池)和20世纪上半叶创造的镍镉电池。

  石油公司投资新技巧

  面对石油干涸的威逼,石油巨擘埃克森(Exxon)决定将其营业多样化。在一项基本研究的严重年夜投资中,埃克森公司招募了当时在动力范畴最重要的一些研究人员,让他们可以自在地做简直任何想做的任务,只需不触及石油。

当以纯锂为阳极的电池充电时,会招致锂枝晶的构成。这些锂枝晶会使电池短路,惹起火警乃至爆炸。当以纯锂为阳极的电池充电时,会招致锂枝晶的构成。这些锂枝晶会使电池短路,惹起火警乃至爆炸。

  斯坦利·威廷汉是1972年参加埃克森公司的迷信家之一。他来自斯坦福大年夜学,从事某些固体材料的研究。这些资估中具有原子大年夜小的空间,可让带电离子附着在下面。这类景象称为嵌入(intercalation)。当离子在材料外部被捕获时,材料的性质就会改变。在埃克森,斯坦利·威廷汉和同事开端研究超导材料,包含可以嵌入离子的二硫化钽。他们在二硫化钽中参加离子,并研究其电导率会受何影响。

  威廷汉发清楚明了一种能量密度极高的物质

  就像迷信上常常产生的情况一样,这个实验带来了一个意想不到的发明。本来钾离子会影响了二硫化钽的电导率。当斯坦利·威廷汉开端详细研究这类材料时,他不雅察到它有异常高的能量密度。也就是说,钾离子和二硫化钽之间的相互作用具有惊人的能量。当威廷汉丈量这类材料的电压时,发明可达好几伏,这比当时的电池很多多少了。斯坦利·威廷汉很如认识到是时辰改变偏向了,他转向了能为将来的电动汽车贮存能量的新技巧。但是,钽是一种比较重的元素,而市场上不须要装载更重的电池。是以,他用钛代替了钽,钛的性质与钽类似,但重量轻很多。

  作为负极的锂

古迪纳夫开端在锂电池的阴极中应用钴氧化物。这简直使电池的电势翻了一番,使其加倍强大年夜。古迪纳夫开端在锂电池的阴极中应用钴氧化物。这简直使电池的电势翻了一番,使其加倍强大年夜。

  因而,在锂离子电池的故事中,锂开端占据最重要的地位。作为斯坦利·威廷汉的新电池的负极,锂其实不是一个随机的选择。在电池中,电子应当从负极(阳极)流向正极(阴极)。是以,负极应当应用一种很轻易掉去电子的材料,而在一切的元素中,锂是最情愿释放电子的元素。

  这么做的成果就是,斯坦利·威廷汉开辟出了一种可在室温下任务的可充电锂电池,它具有很大年夜的电势,也具有巨大年夜的潜力。他前去埃克森位于纽约的总部,就该项目停止了评论辩论。会议持续了大年夜约15分钟,管理团队随后敏捷做出决定:他们将应用斯坦利·威廷汉的发明开辟一种具有贸易可行性的电池。

  电池爆炸和油价下跌

  不幸的是,预备开端临盆电池的小组碰到了一些艰苦。随着新的锂电池被反复充电,在锂电极上开端出现薄层的锂物质。当它们抵达另外一个电极时,电池就会出现短路并激起爆炸。消防队不能不屡次出动息灭火警,他们威逼要实验室付出用于息灭这些锂电池大年夜火所消费的特别化学物质的费用。为了让电池加倍安然,在金属锂电极中参加了铝,两个电极之间的电解液也停止了改换。

  斯坦利·威廷汉在1976年宣布了本身的发明,随后电池开端为一家瑞士钟表商停止小范围临盆,并筹划将其用于太阳能驱动的钟表傍边。下一步的目标是扩大电池的容量,以便使其可以或许为汽车充电。然则在1980年代初,石油价格忽然出现明显降低,埃克森公司须要增添本钱。因而相干研究任务被停了上去,威廷汉所创造的技巧被授权给了世界三个不合地区的三家不合的公司。但这并不是意味着研究任务的终结。当埃克森公司放弃相干任务以后,约翰·古迪纳夫接办了。

吉野彰研制出了第一款可商用锂离子电池。他在阴极应用了古迪纳夫的锂-钴氧化物,并在阳极应用了一种名为石油焦的碳基材料,该资估中也能够拔出锂离子。这款电池在发挥功能时,其实不会产生破坏本身的化学反响。相反,锂离子可以在电极之间往复活动,使电池寿命大年夜大年夜延长  吉野彰研制出了第一款可商用锂离子电池。他在阴极应用了古迪纳夫的锂-钴氧化物,并在阳极应用了一种名为石油焦的碳基材料,该资估中也能够拔出锂离子。这款电池在发挥功能时,其实不会产生破坏本身的化学反响。相反,锂离子可以在电极之间往复活动,使电池寿命大年夜大年夜延长

  石油危机让古迪纳夫开端对电池技巧感兴趣

  照样一个孩子时,古迪纳夫在浏览方面存在明显妨碍,这也是为何他会被数学吸引,并终究,在二战停止以后,开端研究物理学的缘由之一。他在美国麻省理工学院林肯实验室任务多年。在此时代,他对随机存储器(RAM)的研究做出了供献,时至昔日RAM照旧是我们计算机中弗成或缺的部件。

  古迪纳夫和上世纪1970年代的很多人一样,都深深遭到了石油危机的影响,因而他欲望可以或许为动力的替换选择做出供献。但是,林肯实验室是由美国空军赞助的,其实不准可从事这类研究。是以,当他被供给一个在英国牛津大年夜学担负无机化学传授的机会时,他捉住了机会并终究一头扎进了重要的动力研究范畴当中。

  当锂离子与氧化钴结应时所产生的高电压

  古迪纳夫知道威廷汉创造的革命性的新电池技巧,但他关于物质外部构造的专业知识告诉他,假设电池的阴极用金属氧化物,而不是金属硫化物来制造,那么阴极的电势将可以更高一些。因而他的研究组的几位成员被交卸了一项义务,寻觅合适的金属氧化物,其应当可以在锂离子感化下可以产生比较高的电压,并且当这些离子被去除时也不会出现成绩。

  这一体系性搜索的成果要比古迪纳夫本来假想的高很多。威廷汉的电池可以产生略多于2伏特的电压,但古迪纳夫发明,在阴极中应用钴酸锂材料的电池产生的电压将可以晋升两倍,达到4伏特。在这个中的一项关键性发明是,古迪纳夫认识到,电池其实不须要保持在充电状况下才能临盆,而在此之前一向就是如许做的。相反,它们可以在被制造出来以后再充电。在1980年,他对外公布了这项全新的,高能量密度的阴极材料。虽然它重量很轻,却异样可以制造出性能微弱的电池。这是人类进入移动时代的关键一步。

  日本公司急切欲望轻质电池用于新型电子产品供电

  但是,在西方,随着石油价格下探,关于寻觅替换动力,和开辟不应用石油的电动车的投资热忱开端出现降低。然则在日本,情况就完全不合。电子公司拼了命想要取得一种轻质,且可反复充电的电池,用于为他们的便携式摄像机,无线德律风机和计算机供电。个中一个看到了这类巨大年夜需求的人,就是日本旭化成股分无限公司的吉野彰。正如他本身所言的那样:“这就像嗅出趋势的大年夜偏向。你可以说,我这方面的嗅觉比较灵敏。”

  吉野彰开辟了第一个可商用锂离子电池

  当吉野彰决定开辟一种功能性可充电电池时,他选择了古迪纳夫的钴酸锂作为阴极,并测验测验应用各类碳基材料作为阳极。此前研究人员曾经证明,锂离子可以拔出到石墨的分子层中,然则石墨会被电池的电解液分化。当吉野彰测验测验应用石油焦(石油工业的副产品)时,他终究找到了灵感。他用电子给石油焦充电,发明锂离子被吸进了资估中。然后,当他翻开电池时,电子和锂离子流向阴极的钴酸锂,而钴酸锂的电势要高很多。

  吉野彰开辟的电池具有任务稳定、重量轻、容量大年夜的长处,能产生4伏的电压。锂离子电池最大年夜的长处是离子能嵌入到电极上。其他大年夜多半电池都是基于化学反响,而在化学反响中,电极会迟缓而稳定地改变。当锂离子电池充电或放电时,离子在电极之间活动,不与四周情况产生反响。这意味着电池的寿命更长,在充电数百次后性能才会降低。

  别的一个巨大年夜的优势在于,电池中不含有纯的锂。在1986年,当吉野彰在对电池的安然性停止测试时,他异常当心谨慎,乃至将检测任务放在一间专门用于爆炸物考验的房间内停止。他向电池扔掷一大年夜块铁,然则甚么也没有产生。但是,当应用含有纯锂的电池停止反复实验时,电池产生了激烈爆炸。经过过程安然性测试关于这款电池的将来前景极其关键。正如吉野彰所言的那样:这一刻,标记住锂电池正式出生了。

  锂离子电池——在无需化石燃料的社会中弗成或缺

  1991年,一家大年夜型日本企业率先开端发卖锂离子电池,在电子业激起了一场革命。手机体积得以减少,电脑开端走向便携,MP3音乐播放器战争板电脑也逐步问世。

  在此以后,全球的研究人员顺着元素周期表展开了顺次搜刮,试图研制出性能更优良的电池,但没有一种电池能在电池容量和电压上打败锂离子电池。不过,锂离子电池近年来也一向在改革和改进。例如,古迪纳夫将个中的氧化钴换成了磷酸铁,使电池变得加倍环保。

  就像简直一切人类临盆活动一样,锂离子电池的临盆也对情况形成了必定影响,但也为情况带来了巨大年夜的好处。有了锂离子电池,研究人员得以创造更干净的动力技巧和电动汽车,从而有力增添了温室气体和颗粒物的排放。

  古迪纳夫、斯坦利·威廷汉和吉野彰经过过程他们的研究任务,为一个无线、无需化石燃料的新型社会创造了恰以后提,极大年夜地造福了全人类。(叶子,任天,晓风,未名)

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