好事多磨 锂电池终获诺奖
2019-10-09 19:26:15
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来源: 赛先生   邵光华

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2019年诺贝尔化学奖授予约翰·班宁斯特·古迪纳夫(John B. Goodenough)教授,斯坦利·惠廷汉姆(Stanley Whittingham)教授和吉野彰教授,获奖理由如下:

为锂电池的发展所作的贡献。

古迪纳夫首先发现了钴酸锂作为合适的阴极材料,后续又发现了锰基尖晶石和磷酸铁锂。吉野彰在确立锂离子电池的基本框架后,后续不断改进其性能与安全性。

1979年,古迪纳夫发现钴酸锂适合作为阴极材料,降低了已存锂离子电池(由金属锂做阴极材料)的安全隐患。吉野彰采用了这一发现,先是以聚乙炔后以碳基材料为阳极,在电池中消除金属锂,使用含锂化合物,确立了现代锂离子电池的基本框架。1991年,索尼公司将两人合作研发的锂离子电池推向市场,标志着锂离子电池进入广泛应用。如今锂离子电池被广泛应用到移动电子设备、电动车、太阳能领域。

-获奖人简介-

约翰·班宁斯特·古迪纳夫

1922年7月25日,古迪纳夫教授在德国出生,现年97岁。1943年,他在耶鲁大学获得数学系学士学位。二战之后,古迪纳夫于1952年在芝加哥大学获得物理学博士学位。1952到1976年,古迪纳夫在MIT的林肯实验室工作,主要进行关于内存的材料物理研究。1976年,古迪纳夫进入牛津大学任教授并作为无机化学研究负责人。1986年起,古迪纳夫在德州大学奥斯丁分校担任教授,继续从事能源材料的研究。

2019年诺贝尔化学奖得者:约翰·班宁斯特·古迪纳夫(John B. Goodenough)

斯坦利·惠廷汉姆

Whittingham 教授现就任于东北化学能源储存中心(NECCES),美国宾厄姆顿大学能源前沿研究中心(EFRC)。他与 John B. Goodenough 在锂电领域取得开拓性研究,2015 年被汤森路透预测为诺贝尔化学奖的候选人。

Whittingham 教授于 1971 年获得 ECS 电化学学会颁发的青年学者奖,2004 年获得 ECS 电化学学会颁发的电池研究奖,并因其对锂电池科学和技术的贡献而于 2006 年当选为 ECS 电化学学会成员。

2019年诺贝尔化学奖得者:斯坦利·惠廷汉姆(Stanley Whittingham)

吉野彰

1948年1月30日,吉野彰教授出生于日本大阪,现年71岁。吉野教授于1970年从京都大学工学部石油化学科毕业,1972年获工学硕士学位,2005年获大阪大学工学博士学位。1972年,吉野彰进入旭化成工业株式会社,1994年担任AT&T技术开发部长,1997年担任旭化成工业株式会社离子二次电池事业推进室室长。2005年至今,吉野教授担任旭化成工业株式会社吉野研究室室长。

2019年诺贝尔化学奖得者:吉野彰

-获奖人传奇-

古迪纳夫的一生充满了传奇色彩。他既是著作等身的科学家,也是虔诚的基督徒。他是举世公认的”锂离子电池之父“,却几乎没有从发明中获得利益。他在年轻时酷爱文学与哲学,但最终误打误撞以优异成绩从耶鲁大学数学系毕业。

正当古迪纳夫打算攻读物理学时,二战爆发了,古迪纳夫加入军队,以气象专家的身份为航空部队服务。战争结束后,他决定继续攻读物理学。尽管有教授认为以他的年龄,很难在物理学领域有所建树,但古迪纳夫没有气馁。获得固态物理博士学位后,他进入林肯实验室工作。在那里,他发现了铁氧体磁芯的电流重合记忆功能——电子计算机内存技术的基础。

在林肯实验室工作期间,古迪纳夫接触到了一些能源材料,研究了锂离子的移动。当时正赶上美国受到阿拉伯国家石油禁运的影响,能源问题日益突出。古迪纳夫决定投身锂电池的研究,机缘巧合下,来到牛津大学担任无机化学教授。

看样子,古迪纳夫似乎又晚到一步:可充电锂电池已经被英国化学家怀廷汉姆发明。但这种电池容易在充放电过程中起火爆炸,难以推广应用。古迪纳夫坚信自己能发明更高效、更安全的锂离子电池。经过反复实验计算,他发现钴酸锂是比原先使用的硫化钛更适合储存锂离子。

地球的另一端,吉野彰也在绞尽脑汁攻克锂离子电池难题。他已经找到了合适的阳极材料,但苦于没有合适的阴极材料——直到他读到了古迪纳夫的论文。吉野彰回忆:“他的发现给了我所需要的一切,钴酸锂运行良好,能把现有的锂镉电池的重量缩减三分之一。”

吉野彰设计的锂离子电池以碳基材料为阳极,以钴酸锂为阴极,完全去除电池中的金属锂,提高了安全性。这一技术范式确立了锂离子电池的基本概念。为了改进锂离子电池性能,吉野彰又对锂离子电池进行了多次技术改良,例如采用铝箔做集流体,用聚乙烯薄膜做离子隔膜,对锂离子电池的电解质改进,使其能够提供更高的电压。

1991年,两人合作发明的锂离子电池被索尼公司推向市场,标志着锂离子电池的大规模使用。两人也因此结下了深厚友谊。此后,吉野彰每年都会去德州拜访古迪纳夫。回顾历史,吉野彰表示:“电池技术是复杂又困难的学科交叉领域,它的发展需要多方面的专家。在我看来,锂离子电池是集体智慧的成果。”

尽管两位“锂离子电池之父”一个70岁高龄,一个96岁高龄,他们仍然在继续从事能源方面的研究。古迪纳夫希望能研发出高能量密度、高安全性的固态电池,从而解决人类潜在的能源危机。他说:“我想在去世前解决这个问题,我才九十多岁,还有时间。”

参考资料

[1] Akira Yoshino:Inventing The Lithium Ion Battery, Asian Scientist, /www_asianscientist_com/2018/06/features/akira-yoshino-japan-prize-2018/

[2] John B. Goodenough, Wikipedia,/en_wikipedia_org/wiki/John_B._Goodenough

[3] Lithium-ionbattery,Wikipedia, /en_wikipedia_org/wiki/Lithium-ion_battery

[4] The father oflithium-ion batteries, Royal Society of Chemistry,/www_chemistryworld_com/careers/the-father-of-lithium-ion-batteries/3009106.article

[5] The man whobrought us the lithium-ion battery at the age of 57 has an idea for a new oneat 92, Quartz, /qz_com/338767/the-man-who-brought-us-the-lithium-ion-battery-at-57-has-an-idea-for-a-new-one-at-92/

[6] 手机没“炸”多亏他,半路出家搞物理玩电池,一跃成为锂电之父,DizzyIn Science,/blog_sciencenet_cn/blog-2966991-1078413.html

[7] GoodEnough的传奇:美丽的心灵—锂电之心, 材料牛,/www_cailiaoniu_com/109184.html

[8] 吉野彰,Wikipedia,/zh_wikipedia_org/wiki/%E5%90%89%E9%87%8E%E5%BD%B0

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