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锂离子电池开拓者获得2019年诺尔贝化学奖

因开发充电电池的化学成分,John B. Goodenough(约翰.古迪纳夫), M. Stanley Whittingham(斯坦利.惠廷厄姆),和 Akira Yoshino(吉野彰)将分享此奖。

by Bethany Halford
October 14, 2019 | APPEARED IN VOLUME 97, ISSUE 40

 

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Credit: Mitch Jacoby/C&EN (Goodenough); Binghamton University (Whittingham); Japan Prize Foundation (Yoshino)
John B. Goodenough(左), M. Stanley Whittingham和 Akira Yoshino将接受2019年诺贝尔化学奖

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2019年诺贝尔化学奖被颁予美国得克萨斯大学奥斯汀分校的John B. Goodenough,美国纽约州立大学宾汉姆顿分校的 M. Stanley Whittingham,以及旭化成公司和日本名古屋明治大学的 Asahi Kasei,以表彰他们对“锂离子电池开发”的贡献。三位科学家将平分约100万美元的奖金。

“锂离子电池正在以其首次被发现时未曾预料过的方式改变着当今世界,” Gavin Harper说,他是英国法拉第研究所的研究员及英国伯明翰大学可再生能源专家。“这是一项使能技术,使得在当今世界我们可能拥有从智能手表到手机这些如《星际迷航》中的设备。”

锂离子电池为移动电话、笔记本电脑和电动汽车提供了一种轻便、可充的能源。与通过分解电极产生化学反应获得电力的常规电池不同,锂离子电池通过阳极和阴极之间的可逆锂离子流发电。不过让该技术可行,科学家们必须驯服锂—这一易爆的碱性金属。

探索锂离子电池的故事要追溯至20世纪70年代的十年石油危机。Whittingham当时任职于石油和天然气公司埃克森(Exxon),当他想出如何使用二硫化钛(TiS2)制电池阴极的时候,他正在研究高能材料。TiS2是一种层状材料,锂离子在层之间滑过—该过程被称为嵌入。Whittingham将其与金属锂制成的阳极配对,并增加了可在两个电极之间传导锂离子的有机电解液。这是第一版的充电锂电池。

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Credit: C&EN
锂离子电池通过阳极和阴极之间的可逆锂离子流发电。

但该电池并非毫无缺陷。金属锂可形成细针,该针可导致电池短路,过热进而可能引起爆炸。任职于英国牛津大学的 Goodenough发现锂离子同样可以通过氧化钴嵌入。大概与此同时,旭化成公司的 Yoshino表明锂离子在石墨中也可嵌入。

通过使用氧化钴做阴极,石墨做阳极,研究者们制得可以提供约4伏电压的电池,这比此前 Whittingham所研发出2.4伏的电池更强。因为不包含金属锂也更为安全。该电池可重复充电数百次且不会产生性能下降,并在1991年该电池投入商业化。

多年来,化学家们一直期待这几位化学家的工作获得诺贝尔奖的认可。现年97岁的 Goodenough是有史以来年龄最大的诺贝尔奖得主。“今年,许多的科学家确实在支持Goodenough ,” Harper说。

Olof Ramström是诺贝尔化学奖委员会的成员之一,早上在新闻发布会上解释三位所做的工作时,不禁使用了电池的双关语称这是“一个潜力无限‘充满电’的故事。”

美国化学学会(ACS)主席Bonnie Charpentier 表示,今年宣布的诺贝奖“尤为令人兴奋,因为锂离子电池发明是世界上的每个人都可以看到其重要性的(一项工作)—它实现运输,它实现交流,它使能量可存储和便携,带给人们更多便利和安全。”她补充道,“看到这样合作工作得到认可让人非常激动,我们(ACS)的三位长期的会员基于一项工作先后持续工作,他们合起来在ACS的会员资格已经超过100年。” C&EN由ACS发行。

Harper 同时认为该奖项是及时的。“我们正处于人们越来越多意识到自己对世界的影响和脱碳的需求的交叉路口,”他说,“这些似乎正在逐渐加强,所以我认为这确实是及时,因为该技术位于各个技术的枢纽地位并使得脱碳在今年实现成为可能。”.

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