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能天天刷手机多亏这几位诺奖得主

来源:潇湘晨报作者:李柯夫编辑: 值班编辑时间:2019-10-10 10:00:15

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  △约翰·巴尼斯特·古迪纳夫 1922年7月出生于德国,现年97岁,美国固体物理学家,现任美国得州大学奥斯汀分校机械工程和材料科学教授,因为发明可充电锂离子电池而闻名于世。bUw潇湘晨报网

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  △斯坦利·威廷汉 英裔美国化学家,现任纽约州立大学石溪分校化学系杰出教授,纽约州立大学宾厄姆顿分校化学教授、材料研究和材料科学与工程研究所主任。bUw潇湘晨报网

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  △吉野彰 日本化学家,现代锂离子电池(LIB)的发明者,任旭化成(株)吉野研究室室长。bUw潇湘晨报网

  “他们创造了一个可充电的世界。”2019年诺贝尔化学奖宣布之后,这句话登上诺奖官网。他们,指的是美国固体物理学家约翰·巴尼斯特·古迪纳夫、英裔美国化学家斯坦利·威廷汉和日本化学家吉野彰。bUw潇湘晨报网

  如果没有威廷汉发明的锂电子电池,出门在外,你恐怕得为手机准备上一打镍铁电池或者碳锌电池,以防它打上几个电话、看几条新闻就宣告罢工。如果没有古迪纳夫和吉野彰,你得时时刻刻担心手机成为一个“移动炸药包”,在过度充电等情况下为你送上一场爆炸。bUw潇湘晨报网

  毫无疑问,当你玩起手机、打开笔记本、发动纯电动汽车时,你会发现,三位科学家改变了我们的生活。bUw潇湘晨报网

  潇湘晨报记者李柯夫综合科技日报报道bUw潇湘晨报网

  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、英裔美国化学家斯坦利·威廷汉和日本化学家吉野彰,以表彰他们发明锂离子电池方面作出的贡献。三位科学家将平分诺奖奖金。bUw潇湘晨报网

  “你看我们现在用的手机、笔记本,包括特斯拉等纯电动汽车,所使用的几乎都是锂电池,可以说锂电池的出现深刻改变了人类生活。”10月9日,中南大学化工学院教授张翼在接受潇湘晨报记者采访时说,其实古迪纳夫去年就是诺贝尔化学奖得主的大热门,今年获奖可以说是众望所归。bUw潇湘晨报网

  电池起源bUw潇湘晨报网

  抽搐的青蛙腿引出最初的电池bUw潇湘晨报网

  我们不妨先来看看锂电池出现前,电池是什么样的。bUw潇湘晨报网

  1780年的一天,意大利解剖学家伽伐尼做青蛙大腿实验时,发现了青蛙腿会抽搐,他称之为“生物电”。伽伐尼的青蛙实验给了伏打——意大利一位物理学教授启发,发明了“伏打电池”,原料是锌片、铜片以及盐水。然而,这种电池又会存在随着时间的增长,电压下降的现象。bUw潇湘晨报网

  为了解决这一问题,1860年,法国的普朗泰发明出了铅做电极的电池,当电池因为使用了一段时间电压下降时,可以通反向电流,使得电池电压回升,这就是“蓄电池”。蓄电池不仅不方便搬运,命也比较短。bUw潇湘晨报网

  短命蓄电池的终结者是发明大王爱迪生。为了改善短命蓄电池,爱迪生致力于实验合适的金属材料,经历4万多次实验,使用了几千种材料。终于功夫不负有心人,1904年,爱迪生用氢氧化钠代替硫酸,镍、铁代替铅,制成了世界上第一个镍铁电池。1958年,哈里斯提出了采用有机电解质作为锂金属原电池电解质的可能性。1962年,波士顿召开的电化学学会冬季会议上,提出了“锂非水电解质体系”的设想,第一次把活泼金属锂引到电池设计中。这个时期的“锂电池”还没有二次充电的能力,被称作锂一次电池或者锂原电池。我们最熟悉的金属锂一次电池便是手表,计算器和电脑主板中经常使用的纽扣电池,它是典型的锂锰一次电池,但是这种电池只能用一次,不够环保。bUw潇湘晨报网

  可惜的是,随着石油的开发进展,当时电池的商业空间不断被挤占,直到上世纪70年代,在石油危机的影响下,人们再度将目光投注到电池身上。bUw潇湘晨报网

  1971年,“太阳能光伏之父”奥维辛斯研制出金属氢化物镍电池,也就是现在通常所说的镍氢电池。镍氢电池不但生产成本低,而且电容量高,环境污染小,将电池引领到一个全新的时代。bUw潇湘晨报网

  危险转折bUw潇湘晨报网

  曾被视为“弃儿”的锂电池bUw潇湘晨报网

  1972年,被称为金属锂二次电池(负极是金属锂)的第一块可以充电的锂电池出现了。bUw潇湘晨报网

  在美国埃克森公司工作的威廷汉发现,二硫化钛与锂有望成为一种全新的电池系统,他推出首款可充电锂电池,这款电池拥有可深度充放电1000次且每次循环的损失不超过0.05%的优良性能。bUw潇湘晨报网

  张翼介绍,相较于镍氢电池,锂电池工作电压更高,重量轻,同样的重量下,容量更大,安全性也更好。bUw潇湘晨报网

  但在当时,这种拥有可重复充放电能力的锂电池有一种安全隐患。在充电的过程中,锂电极上的金属沉积速度是不一样的(由电极表面的凹凸不平造成),锂金属会在沉积的过程中形成树枝状的晶体。过度充电后,电池的正负两极会被金属锂晶枝连接起来形成短路,使电池大量放热而起火甚至爆炸。另外,二硫化钛太贵了(当时售价每公斤1000美元),不适合作为电池的材料。其次,在与空气接触后,二硫化钛也会产生硫化氢。这种分子不仅具有恶臭气味,还对动物有毒性。考虑再三,埃克森公司决定放弃这款锂电池的研发计划。bUw潇湘晨报网

  上世纪80年代,加拿大MoliEnergy公司,首次向市场推出采用金属锂作为负极的Li/MnO2二次电池。这款电池让其称霸全球市场,辉煌一时。但是非常不幸的是在1989年发生了连续的爆炸事故,导致大面积召回,该公司从此一蹶不振,最后被日本NEC公司收购。bUw潇湘晨报网

  此时,身在牛津大学的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,他发现钴酸锂比原先使用的硫化钛更适合储存锂离子。bUw潇湘晨报网

  如果把钴酸锂想象成一个汉堡包,钴和氧构成了两片面包,那么,锂原子就是中间的牛排,能被很轻松地抽出。正因如此,这种钴酸锂可以取代金属锂,作为电池中锂离子的提供者。而且,这种氧化物可以拔高电池的使用电压,从而提升电池储存的电量。更为重要的是,钴酸锂对空气等不敏感,在金属锂面前,钴酸锂乖巧得如同小孩。而枝晶问题在钴酸锂中也得到了改善。在一定的使用时长下,钴酸锂是一种安全系数很高的电极材料。bUw潇湘晨报网

  然而,或许是这一创新太过前卫,也可能是教训太过惨烈,当时整个西方世界竟然没有一家企业敢接这个发明。甚至牛津大学自己都不愿意为钴酸锂发现申请专利。古迪纳夫只好找到另一个实验室帮忙,勉强拿下了专利。bUw潇湘晨报网

  强势逆袭bUw潇湘晨报网

  商业化锂电池的“幸运儿”索尼bUw潇湘晨报网

  地球的另一端,上世纪80年代的日本正处在经济腾飞期,日本产的电子产品也迅速占领着国际市场,西方不敢接的烫手山芋,日本人倒是想试试。bUw潇湘晨报网

  此时,全球的电子产品市场初见端倪,大众刚刚接触到电子表、手机、电脑等新鲜玩意,而作为电子产品的保障,安全可靠的电池必不可少。bUw潇湘晨报网

  因此,刚刚收购Moli的日本人迫不及待想解决锂电池的安全问题,并计划将这一产品发扬光大。bUw潇湘晨报网

  NEC投入了巨大的人力物力,仔细检测了几万块电池,经过几年的摸索,他们终于明白了锂电池爆炸的原因。原因找到了,但是如何解决却让NEC陷入了困境。成分、组装、生产环境等等都可以改进,但枝晶如同幽灵一般,萦绕在锂电池中,无法摆脱。bUw潇湘晨报网

  此时,凭借随身听和红白机风头正劲的索尼手头已经发明了用作锂电池负极的石墨。bUw潇湘晨报网

  这种石墨价格低廉,结构稳定,是十分理想的电极材料,只是苦于没有合适的正极与之匹配。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。bUw潇湘晨报网

  随后,吉野彰设计出以碳基材料为阳极,以钴酸锂为阴极的锂离子电池,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。bUw潇湘晨报网

  张翼说,古迪纳夫厉害之处就在于锂电池所最可能使用的三种材料都是他发现的,并且领导项目组发明了可以量产的锂离子电池和磷酸铁锂电池技术。他引领的项目组和SONY公司合作开发出了基于碳材料正极和钴酸锂材料负极的可充电离子电池,也就是目前广泛采用的锂离子电池技术。而在吉野彰的推动下,锂电池实现了商业化。bUw潇湘晨报网

  1991年,古迪纳夫、吉野彰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。这种锂离子电池一经问世立刻受到了欢迎,帮助索尼一跃成为行业老大。bUw潇湘晨报网

  我们今天所使用的绝大部分锂离子电池仍然延续这一架构,近30年没有大的改动。bUw潇湘晨报网

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