2019诺贝尔化学奖是锂离子电池的成功!

2019诺贝尔化学奖是锂离子电池的成功!
2019年10月09日 18:16 新浪科技综合

  来源:科研圈

  明天,2019年诺贝尔化学奖授予美国固体物理学家约翰·巴尼斯特·古迪纳夫(John B。 Goodenough)、英国化学家斯坦利·威廷汉(Stanley Whittingham)和日本化学家吉野彰(Akira Yoshino),以表扬他们创造锂离子电池方面做出的供献。三位迷信家将等分诺奖奖金。

  约翰·巴尼斯特·古迪纳夫(John B。 Goodenough),美国固体物理学家,由于创造可充电锂离子电池而有名于世。1979年古迪纳夫发明,将钴酸锂(LiCoO2)作为电池的阴极,将除锂以外的金属材料作为阳极,可以或许完成高密度的能量贮存。这一发明为锂离子电池的生长铺平了门路,促进了可充电锂离子电池的广泛应用。1983年,古迪纳夫、M.Thackeray等人发明锰尖晶石是优良的电池阳极材料。锰尖晶石具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能。其分化温度高,且氧化性远低于钴酸锂,即使出现短路、过充电,也能够或许防止了熄灭、爆炸的风险。1989年,古迪纳夫、A.Manthiram发明采取聚电解质(例如,硫酸盐)的阳极将产生更高的电压,缘由是聚电解质的电磁感应效应。另外,他还与日本学者金森按序郎合营提出“古迪纳夫-金森轨则”(Goodenough-Kanamori rules)。

  古迪纳夫1922年7月出身于德国,现年97岁。他于1943年取得耶鲁大年夜学数学学士学位,随后于1951年和1952年在芝加哥大年夜学取得物理学硕士和博士学位。他的职业生活始于麻省理工学院的林肯实验室,在那边他为数字计算机的随机存取存储器(RAM)的开辟奠定了基本。分开麻省理工学院后,他于1976年至1986年参加牛津大年夜学担负传授和无机化学实验室担任人。正是在这段时间里,古迪纳夫创造了锂电池。分开牛津大年夜学后,他参加美国得州大年夜学奥斯汀分校,现任该校机械工程和材料迷信传授。

  斯坦利·威廷汉(Stanley Whittingham),英国化学家,现任纽约州立大年夜学石溪分校化学系出色传授,纽约州立大年夜学宾厄姆顿分校化学传授、材料研究和材料迷信与工程研究所主任、纽约电池和储能结合会(NYBEST)董事会副主席。2015年,威廷汉因在锂离子电池范畴的开创性研究取得科睿维安化学范畴引文桂冠奖。2018年因将插层化学应用在储能材料上的开创性供献,被选美国国度工程院院士。

  威廷汉1941年出身于英国,1968年在牛津大年夜学取得博士学位。他的研究兴趣重要在于寻觅可以或许推动储能的新材料,以明显进步电化学装配的贮存才能。近年来,他的研究集中在新型无机氧化物原料的制备及其化学和物理性质。比来,他的课题组发清楚明了单相反响在电池电极放电中的关键感化。

  吉野彰(Yoshino Akira),日本化学家,现代锂离子电池(LIB)的创造者,曾取得工程学界最高荣誉全球动力奖与查尔斯·斯塔克·德雷珀奖。1983年,吉野应用钴酸锂(LiCoO2;锂和氧化钴的化合物,由约翰·B·古迪纳夫、水岛公一等人发明)开辟阴极,应用聚乙炔开辟阳极,在1983年制出世界第一个可充电锂离子电池的原型。1985年克服诸多技巧成绩,完全清除金属锂,确立了可充电含锂碱性锂离子电池(LIB)的根本概念,并取得日本注册专利。吉野彰的锂电池冲破以往镍氢电池的技巧限制,开启了行动电子设备的革命。由于极高的安然性、稳定的能量输入和公道的价格,锂离子电池终究究1991年由SONY初次贸易化。2014年,美国国度工程院公认约翰·B·古迪纳夫、西义郎、Rachid Yazami和吉野彰为现代锂离子电池所做的先驱性和抢先性的基本任务。

  吉野彰1948年1月出身于日本大年夜阪。1970年从京都大年夜学工学部石油化学科卒业,1972年获京都大年夜学工学硕士学位,2005年获大年夜阪大年夜学工学博士学位。1972年吉野进入旭化成工业股分无限公司(现·旭化成股分无限公司),1994年担负AT&T技巧开辟部长,1997年担负旭化成(株)离子二次电池事业推动室室长,2003年升任旭化成Fellow。2005年至今担负旭化成(株)吉野研究室室长。

  看到这篇文章之前,你能够从未听说过 John Bannister Goodenough。然则你必定知道他研究的器械,现实上你很有能够具有他的“作品”。

  回想之前六七十年间的科技奔腾:脊髓灰质炎疫苗,宇宙飞船,阿帕网(互联网前身)等等。除这些,还有两项创造对经济和社会生长影响深远。假设没有这项创造,世界各地人们的生活都将完全不合。

  第一项严重年夜创造是1947年出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本。第二项创造是锂电池。1991年索尼公司开端贸易化临盆锂电池,随后锂电池产品逐步代替了依附晶体管的粗笨电子设备。

  和晶体管不合的是,虽然很多人都认为锂电池应当获诺贝尔奖,它的创造者迟迟没有取得诺奖的垂青。锂电池拓宽了晶体管的应用范围。假设没有锂电池,就不会有智妙手机,平板电脑和笔记本电脑,和你如今浏览这篇文章所用的设备。固然也不会出现苹果、三星、特斯拉等公司。

  1980年,57岁的物理学家 Goodenough 他创造了锂电池中最重要的部件,钴氧化物阴极。如今全球的便携电子设备都采取这类阴极。

  如今,年过九旬的 Goodenough 师长教员仍每天都去德克萨斯大年夜学奥斯汀分校的小办公室下班。对此他解释道,我的任务还没有完成。在钴氧化物阴极创造35年后,电动动力汽车在价格上依然不克不及与传统的内燃机汽车竞争。而太阳能和风能发电的贮存本钱太高,只能急速应用。我们的前景不容乐不雅:固然如今石油价格昂贵,但根据商品价格动摇周期规律,其价格必定会上升;同时气候变更成绩也愈演愈烈。

  简而言之,世界须要超等电池。Goodenough 说:“不然的话,我只能说将来我们将经过过程战斗来争夺最后的动力,全球变暖也会生长到弗成控制的地步。”

  好消息是 Goodenough 正和博士后助手们研究一个新想法主意。他说:“我想在去世前处理这个成绩,我才九十多岁,还有时间。”

  电池研究的泥土

  电池是使带电离子在两个电极间定向移动的装配。电荷定向移动产生电流供给电器任务。

  制造电池须要两个电极,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。帯负电的电极其阳极,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活动产生电流。可充电电池在外接电源充电的过程当中,阳离子重新回到阳极贮存电能。

  简直一切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才能和放电速度。

  早在1859年,Gaston Planté 就创造了铅酸电池(应用铅电极和硫酸电解液)。二十世纪早期,应用铅酸电池的电动汽车性能仿佛优于应用汽油的内燃机汽车。内燃机噪音很大年夜并且很脏,启动时还要动摇沉重的手柄。比拟之下,电动汽车轻易操作并且安静。但是,汽车电子打火装配等一系列创造使内燃机逐步占据优势。几十年来,很少人认为电动汽车会代替内燃机汽车。

  贸易创新应用电能替换内燃机的想法主意东山再起。世界各地的研究者争相研究电池,欲望成为下一个福特。那时还在MIT任务的 Goodenough 说,一切忽然产生了改变,电池的研究不再无聊了。这类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更加低落。

  电能重新回到了舞台,Goodenough 也参加了竞争。在以后的二十年里,他创造或参与创造了现代电池生长中简直一切的重要成果。

  第一代锂电池

  Goodenough 在牛津大年夜学任务时,英国化学家 Stan Whittingham 在电池范畴取得严重年夜冲破。他和斯坦福大年夜学的同事合营发清楚明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往复穿越,具有充电才能,并且可以在室温下任务。Wittingham 用化学术语 intercalation(夹层)定名这类存储方法。

  这个消息吸引了广泛存眷。石油巨擘埃克森美孚约请 Whittingham,根据他在斯坦福的任务,机密研制新型电池。1976年,埃克森美孚请求了锂电池创造专利。

  在此之前的60年里,花费类电子产品的标准电池是一次性碳锌电池。(和它比拟,铅酸电池宏大年夜沉重,只能用于汽车。)同时应用的还有镍镉电池。Whittingham 的成果以简便和电量足的特点超出了这两种电池。假设研究成功,它将能给更小更便携的设备供电。

  但还有个物理规律挡在前面。锂电池任务的电化学反响使它轻易爆炸。当过充时,电池能够自燃。即使你当心防止了这些成绩,电池也会在反复充放电过程当中逐步衰减。实验室爆炸和电池衰减这些成绩困扰着 Whittingham 的任务。

  Goodenough 认为他能设计出一种更有效、没有致命缺点的电池。美孚的电池采取硫化钛作为存储锂离子的负极材料。而 Goodenough 在麻省理工时辰非常熟悉金属氧化物原料。据他断定,氧化物电极许可更高电压的充放电。根据物理学定律,可以贮存更多能量并且不容易爆炸。这值得一试。

  钴酸锂·尖晶石·磷酸铁

  但还有一个潜伏的成绩。电极之间贮存的可移动的锂离子越多,电极释放的能量越多。Goodenough 推敲到,假设锂在阴极资估中占了很大年夜一部分,当锂离子转移到阳极时,阴极由于掉去大年夜量离子中空很能够塌陷。有没有一种金属氧化物可以或许遭受这类影响呢?假设有的话,会是哪一种?这类材料和锂的比例该是若干?

  Goodenough 指导两个博士后助手有条不紊研究一系列金属氧化物构造。他让助手们肯定在锂游离须要的电压(他的希冀值远高于 Whittingham 电池的2.2V)和游离锂离子的比例。 

  成果显示电极可以遭受4伏的电压,有一半的锂游离出来。这足够用于可反复应用的电池。在他们测试的氧化物中,助手们发明钴氧化物是最好最稳定的材料。

Goodenough(前排左二)与同事合影,摄于1982年牛津大年夜学。Goodenough(前排左二)与同事合影,摄于1982年牛津大年夜学。

  1980年,Goodenough 到了牛津四年后,锂电池钴氧化物阴极材料成为巨大年夜冲破。这是世界上第一个可以给大年夜型复杂设备供电的锂离子电池,质量远超市场上其它电池。这类电池存储的能量是市场上室温可充电电池的二到三倍。它不只体积更小并且性能雷同乃至更好。

  1991年,索尼结合 Goodenough 的阴极和碳阳极技巧临盆了世界上第一个贸易化可充电锂离子电池,一夜之间轰动全球。索尼还将锂离子电池应用于相机。加倍简便美不雅的索尼相机很快风行各地。

  索尼的竞争敌手也敏捷推出了类似的电池和手持相机,并把锂离子电池应用到笔记本电脑和手机上,构成了每年数十亿美元的家当。索尼的冲破激起了锂离子电池研究的高潮,世界各地的实验室都开端寻觅体积更小、储能更多的锂离子电池构造。

  在这之前,没有人预感到这项研究有如此巨大年夜贸易市场。

  在经常使用的钴阴极资估中,原子呈层状聚积,贮存个中的锂离子只能在原子层之间活动。Goodenough 认为尖晶石的原子分列方法许可离子在三维空间中活动,如许离子就有更多进出电极板的门路,进步了充放电速度。1982年,Goodenough 牛津大年夜学的博士后助手 Mike Thackeray 创造了更先辈的锰尖晶石电极。比拟一年前 Goodenough 的钴氧化物电极,这类电极更安然便宜。

  Padhi 和日本 NTT 公司在 Goodenough 实验室任务的研究人员 Okada 一路寻觅更好的尖晶石材料。他们测验测验了不合伙料,如钴、锰和钒,都没有成功。最后他们的名单里只剩下一种磷铁化合物,Goodenough 认为他们最后只能选择尖晶石,把这个想法主意告诉 Padhi 后他就去度假了。

  Goodenough 回来后从 Padhi 处得知,正如他的猜想,Padhi 实在其实没有取得尖晶石构造。然则他发清楚明了一种天然构成的新型橄榄石构造,并成功从橄榄石构造中提取放回锂离子。经过检查,Goodenough 发明成果令人赞赏。这是第三次了!第一次是钴氧化合物,接着是尖晶石,如今是磷酸铁,Goodenough 的实验室出生了三种重要的可贸易化的锂离子电池阴极材料。

  固然 Padhi 的研究成果被日本 NTT 公司的研究人员 Shigeto Okada 盗取率先在日本请求专利。Goodenough 实验室自愿卷入与日本NTT公司、MIT Yet-Ming Chiang 传授的A123公司的专利之争。但业内广泛认为一切的技巧都源于 Goodenough 的实验室。

  壮心不已

  一名年过九旬的巨大年夜创造家会取得很多荣誉,Goodenough 也是如许。他简直每年都邑被提名诺贝尔奖,平日和他一路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授予的美国国度迷信奖章;2009年,他取得了费米奖。现实上,也有奖项以 Goodenough 定名。2009年起英国皇家化学学会每年在材料化学范畴颁发“John B。 Goodenough奖”。

  但 Goodenough 仿佛想以一个巨大年夜的新创造为科先生活画上句号。他正在研制一种真正能让电动汽车和内燃机汽车匹敌的超等电池,并欲望这类电池可以经济地存储风能和太阳能。

  他选择的研究偏向触及电池迷信范畴里最难的成绩之一:若何用纯锂或许钠制造电池阳极?假设这类电池研制成功,将比现有的锂电池多存储60%的能量。这将急速使电动车具有和燃油汽车对抗的实力。多年来,很多迷信家都停止了掉败的测验测验。例如70年代 Exxon 公司的 Stan Whittingham 实验室屡次由于锂电池研究起火。

  虽然 Goodenough 并未解释新想法主意,然则他认为本身曾经有了一些眉目。并且基于他之前的成果,电池范畴的学者们其实不太困惑这点。如今就职于美国阿贡国度实验室、曾在 Goodenough 的指导下发清楚明了锰尖晶石的南非人 Thackeray说:“他依然很灵敏,他的思维仍在冲破”, “这个范畴的冲破必定是以出人意表的方法出现。Goodenough 就是那种打破惯例的人。”

  这项研究的赌注很高,Goodenough 批驳很多与他竞争的研究办法。例如,在他看来,特斯拉的 Elon Musk 只满足于“把电动汽车卖给好莱坞那些有钱人”,把实用于中产阶层的汽车电池研究交给其他迷信家。这类控告不完全精确。固然Musk 把车以每辆8万到10万美元的价格卖给精英阶层,但他正在渐渐改进电池,承诺到2018年将临盆一款3.5万美元的汽车满足更大年夜的市场。

  Goodenough 异样看不上那些每年仅仅进步7%~8%电池效力的研究。他说“我们须要一些明显的进步,而不是每次进步一点点。

  包含他本身,没有人可以肯定 Goodenough 此次会成功,只是他还没有放弃。超等电池的研制确切很难。Goodenough 说每小我都应当赓续的去测验测验冲破。他指出,在息灭性的动力危机和情况成绩光降之前,我们还有30年的时间研发新电池并使之贸易化。他认为时间足够。他说:“很多人都在研究锂电池,这些人都很聪慧。我不敢说本身是唯一能处理这个成绩的人。”

  但是他很能够处理这个成绩。这也是那些懂得他的人一向存眷 John Bannister Goodenough 的缘由。

 Goodenough 在德州大年夜学奥斯汀分校的实验室中 Goodenough 在德州大年夜学奥斯汀分校的实验室中
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