锂电池得以大规模商用 这三位诺贝尔化学奖得主功不可没

2019-10-10 19:17:30来源:钛媒体编辑:鹿鸣君

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  原标题:锂电池得以大规模商用 这三位诺贝尔化学奖得主功不可没
 
  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。

本届诺贝尔化学奖获奖者
 
  其中,美国得州大学奥斯汀分校的古迪纳夫教授被誉为“锂电池之父”,是钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂正极材料的发明人,现年97岁,也成为了诺贝尔奖史上年龄最大的获奖者。
 
  3位科学家研发的锂电池,开启了电子设备的便携化进程。自从1991年锂电池首次进入市场以来,它就不断变革着全球消费者的生活。锂电池可以储存大量太阳能和风能等清洁能源,使无化石燃料社会成为可能。
 
  追溯全球范围内锂电池领域取得的成果,可谓充满了传奇色彩。
 
  在锂电池发明之前,不得不提的是1859年法国人普兰特发明的经典铅酸蓄电池,如今依然被广泛使用。然而,铅酸蓄电池的弊病在于密度太低——鉴于汽车特殊的运用场景,电池的质量与体积之比过小会影响电池的利用率,或是牺牲汽车后备箱的空间,因此铅酸蓄电池无法作为电动车的能源使用,与此类似的还包括镍镉电池、镍氢电池。
 
  经过元素周期表的排除法研究,可以发现锂元素的储量比较高;于是,锂电池的研究开始成为全球许多国家的课题。
 
  首先要提及的锂电池领域的奠基人,是英国化学家惠廷汉姆。他在锂电池领域所做出的杰出贡献,是避开了早期“锂转化”(Conversion)所造成的化学键断裂与重组给物质带来的结构变化(熟悉的例子是不同结构的碳:金刚石、石墨、C60等性能不同),运用另外一个技术路径:锂嵌入(Intercalation)来实现。

早期锂电池可用上述反应表示,产生的“锂枝晶”易导致电动车自燃

  早期锂电池可用上述反应表示,产生的“锂枝晶”易导致电动车自燃
 
  通俗易懂地讲:以特殊的层状材料作为宿主(hosts),锂离子(Li+)作为客人(guests)可以较为随意地嵌入(Intercalation)或脱出,基本不影响宿主的物质结构。
 
  斯坦利·惠廷汉姆采用硫化钛作为正极材料,金属锂作为负极材料,制成了世界上首个新型锂离子电池。
 
  此后,被称为锂电池之父的美国化学家古迪纳夫披荆斩棘,以一己之力发现了大部分当下运用于生产生活的锂电池的正极材料,他的科学生涯更是传奇的一生。
 
  年轻时,古迪纳夫在美国耶鲁大学就读的专业是文学和数学,化学只是其大一的一门选修课,不过他在自然科学领域有着过人的天赋与不懈的追求。1943年,古迪纳夫在耶鲁大学获得了数学系学士学位之后,打算开始攻读物理学;不料二战爆发,古迪纳夫在战时服役,战争结束后,他继续攻读物理学,并被教授们认为“超龄而难以在该领域内取得成就”。
 
  然而,古迪纳夫并未就此气馁,在取得固态物理博士学位后,1952至1976年间,他在林肯实验室工作,并研究能原材料的相关工作。
 
  在美国受阿拉伯国家石油禁运之际,能源问题的突出使年过半百的古迪纳夫决定投身于锂电池研究。继惠廷汉姆发明了可充电却在放电过程中易爆炸的锂电池后,经过反复实验计算,古迪纳夫发现了比先前的硫化钛更适合做锂电子电池阴极材料——层状结构的钴酸锂。
 
  与此同时,第三位今年的诺贝尔化学奖获得者——现年71岁的日本吉野彰就此登场。彼时,也在尽力攻克锂离子电池难题的吉野彰已经找到了适合的阳极材料,一直为阴极材料所困,直到他读到了古迪纳夫的论文。
 
  吉野彰回忆,古迪纳夫的发现给了其所需要的一切,钴酸锂能把现有的锂镉电池的重量缩减三分之一。在此基础之上,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;此后,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等。
 
  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。
 
  与此同时,原本板砖一样体积的“大哥大”不复存在,取而代之的是以锂电池为电源的轻薄手机;目前国内外电动汽车的蓬勃发展,无外乎也源于锂电池的运用。
 
  锂电池大规模商用后,古迪纳夫等科学家从未停止过对能原材料的研究。1996年,古迪纳夫和另一位科学家Padhi发现了具有橄榄石结构的磷酸盐,如磷酸铁锂(LiFePO4),比传统的正极材料更具安全性、耐高温,锂电子材料又进一步得到了发展。
 
  纵览电池发展的历史,可以看出当前世界电池工业发展的三个特点:一是绿色环保:包括锂离子蓄电池、氢镍电池等;二是一次电池向蓄电池转化,符合可持续发展战略;三是电池进一步向小、轻、薄方向发展。
 
  在商品化的可充电池中,锂离子电池的比能量最高,特别是聚合物锂离子电池,可以实现可充电池的薄形化。正因为锂离子电池的体积比能量和质量比能量高,可充且无污染,具备当前电池工业发展的三大特点,因此在发达国家中有较快的增长。
 
  电信、信息市场的发展,尤其是移动电话和笔记本电脑的规模化生产,更给锂离子电池带来了市场机遇。不过,锂电池的“技术革命”依然在路上,主要包括三个方敏依然有待革新:电池能量密度、功率密度和安全系数。
 
  97岁的古迪纳夫曾在中国学生黄云辉50岁生日的时候给学生送上祝福“Yunhui,50yearsisonlythebeginning.HappyBirthday”,这也正符合他自己知天命年纪才开始投身于能原材料研究并不懈钻研的精神。
 
  古迪纳夫自己也表示还将工作5年,102岁退休。能源材料的科研前辈们老骥伏枥、后辈们人才济济,未来,新型电子还会不断革新人类的生活。

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