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你能看到这条推送,全靠诺贝尔化学奖得主给你造的锂电池

 2019/11/01 14:58:36   浏览次数:361

北京时间10月9日晚,瑞典皇家科学院宣布,2019年诺贝尔化学奖授予得克萨斯大学奥斯汀分校教授约翰·古德托、纽约州立大学宾汉姆分校教授惠廷翰和日本化学家阿基拉·吉野,以表彰他们在锂离子电池领域的贡献。

三人将分享900万瑞典克朗(约合647万元人民币)的奖金。诺贝尔委员会评论说,“他们创造了一个可充电的世界”。

值得一提的是,古德沃出生于1922年,今年97岁。这一次他获得了诺贝尔奖,这也创造了一项新的年龄记录。

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“创造一个可充电的世界”

已经进行了多年的锂离子电池研究,终于获得了今年的诺贝尔化学奖。

今年该奖项颁发后,学术界纷纷表示,这三位学者“如预期”获得了该奖项。华东师范大学化学与分子工程学院教授姜雪峰评论说,三位诺贝尔奖获得者在锂离子电池的基础模型构建和产业推广中发挥了重要作用。

诺贝尔委员会评论说,自从1991年锂离子电池首次进入市场以来,它已经彻底改变了我们的生活。今天,锂离子电池是手机、相机、甚至电动车和心脏起搏器最重要的能源。

此外,锂离子电池还广泛用于储存其他可再生能源,如太阳能和风能,从而有效减少温室气体排放。

锂离子电池是二次电池的一种,也称为充电电池。在电池内部,锂离子(带电原子)沿着两个电极之间的路径移动,从而产生电流。

“锂原子有一种独特的性质,它的外层只有一个电子,很容易丢失。锂离子电池是利用锂原子容易失去电子的特性,使电子可以通过外部导线传输,为需要电力的设备提供能量。”江雪峰这样解释锂电池的原理。

江雪峰表示,如果电池想要回收,就需要将电子的增益和损耗转化为可逆过程,这就需要选择电池的正负电极材料。“可以看出,这三位科学家在锂电池的开发中一直在使用不同的材料来解决这些问题。”

今天的锂离子电池是在20世纪70年代石油危机期间设计的。当时,为能源公司埃克森公司工作的惠廷翰(Whittingham)起草了锂电池的初步设计,使用硫化钛作为阴极材料,锂金属作为阳极材料,并制造了第一款新型锂电池。

诺贝尔委员会委员、瑞典林奈大学化学教授拉姆斯特·罗姆(Ramster Roma)在新闻发布会上表示,惠廷翰的锂金属电池有2v的潜力。“我们今天使用的碱性电池只有1.5v,所以从潜在的角度来看,这种电池已经相当不错了。”拉姆斯特·罗姆说。

1980年,另一位诺贝尔奖获得者古德沃勒发现钴酸锂可以用作锂离子电池的阴极材料。这种材料的潜力甚至更高,达到4V——正如获奖词所说,“锂电池的潜力翻一番”。

到目前为止,钴酸锂仍然是锂离子电池最广泛使用的正极材料。此外,古德托还开发了磷酸铁锂等材料和其他新型锂电池材料。他也被誉为“锂电池之父”。

解决安全问题:正式进入商业

锂是一种非常活跃的元素。为了避免与空气反应,纯锂通常储存在油中。这也意味着当锂金属用于电池时存在安全隐患。在惠廷翰的早期测试中,电池的短路爆炸很常见。这也是上述锂电池不能走出实验室的原因之一。

科学家们一直在寻找驯服锂的方法。

20世纪80年代,日本的消费电子产业得到了发展,因此迫切需要一种重量轻、可充电的电池来为摄像机、无线电话和移动计算机供电。

朝日Kasei公司的化学工程师吉野·阿基拉在古德诺开始了他的研究,并试图找到一种安全、商业化的锂离子电池。根据古德托的理论模型,他使用钴酸锂作为阴极,并尝试使用各种碳基材料作为阳极。吉野·阿基拉在测试电池的安全性时非常小心,甚至把测试工作放在专门用于爆炸测试的房间里。

1985年,吉野·阿基拉用石油焦(一种碳基材料)代替了阳极中的活性锂,从而彻底消除了金属锂,完成了世界上第一个市售的含锂碱性锂离子电池。

解决安全问题意味着锂电池商业时代的到来。索尼看中了这种新型安全锂离子电池。1991年,索尼和朝日新闻发布了世界上第一款商用锂离子电池,从而开启了消费电子产品的“锂离子电池革命”。

诺贝尔委员会评论说,“这种轻便耐用的电池在性能下降之前可以充电数百次。”

[记者]王世坤

[卡通]杨佳

[绘画]邱洪天

卓立

[规划]郑友芝张智超