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锂电池研发先驱圆梦诺奖
加入时间:2019-10-24        来源:中国能源报


  跨越了几代人的锂离子电池技术终获诺贝尔奖眷顾,3大研发先驱“创造可充电世界”的努力也终得盖章认证。瑞典皇家科学院10月9日宣布,2019年诺贝尔化学奖授予锂离子电池技术奠基者约翰·B·古迪纳夫(John B.Goodenough)、M·斯坦利·惠廷厄姆(Stanley Whittingham)和吉野彰(Akira Yoshino),其中97岁的古迪纳夫成为迄今最高龄的诺贝尔奖得主。 

  上述3位科学家里程碑式的贡献,贯穿了锂离子电池从基础研究到商业化应用的整个发展历程。瑞典皇家科学院在声明中称:“他们的成就让‘零化石燃料世界’成为可能,这个应用于无线电子类产品、电动汽车、可再生能源以及储能等多个领域的技术,正在让人类摆脱油气严重依赖并寻求绿色低碳未来的梦想照进现实。” 

  “锂电鼻祖”开创先河 

  惠廷厄姆、古迪纳夫和吉野彰在锂离子电池领域的研究是相辅相成且逐渐递增的。惠廷厄姆于20世纪70年代利用硫化锂钛制造了首个功能性可充电锂离子电池模型,成为锂电技术的“开山鼻祖”。 

  惠廷厄姆1941年诞生于英国,在牛津大学获得博士学位后前往美国斯坦福大学攻读博士后,随后在美国最大石油公司埃克森美孚和全球最大油服商斯伦贝谢工作了16年,在埃克森美孚工作期间研发出了全球首个锂离子电池模型,现任职于美国纽约州立大学宾汉姆顿分校材料研究所和材料科学与工程专业主任。 

  追溯他的研发历程不难发现,1973年爆发的第一次石油危机是电池技术发展的转折点,国际社会意识到了能源安全的重要性,如何摆脱化石燃料严重依赖并寻求替代能源成为当时能源科学领域的主流。因此,率先在电池阳极中成功使用超轻、高反应性且容易释放电子的金属锂的惠廷厄姆,得到了前所未有的关注。 

  惠廷厄姆首次提出了新的电池工作原理——嵌入,这为之后新式锂离子电池成功商业化奠定了基础。他在2015年接受采访时表示:“这就像在三明治中夹果酱一样,将锂离子放入和取出,但仍然保留晶体结构。”当年,惠廷厄姆就已经成为汤森路透诺贝尔奖得主预测名单的“座上宾”。 

  锂作为元素周期表中最小和最轻的金属,与1970年代占据主导地位的大型笨重的铅酸电池不同,可以被嵌入很小的空间且容易释放电子,惠廷厄姆将具备这些优势的锂和可以捕获流动电子空间的钛组合在一起,实现了充电和放电过程的初代锂离子电池,只不过这样的材料组合很容易爆炸。 

  “锂电之父”突破瓶颈 

  锂离子电池的稳定性难题,最终被古迪纳夫和他的团队成功破解。1980年,古迪纳夫团队提出了使用钴酸锂的想法,将钛替换成相对稳定的层状材料氧化钴,解决了锂离子电池容易着火爆炸的问题,同时还将容量翻番,从惠廷厄姆版本的2伏增至4伏。 

  这一瓶颈的突破让古迪纳夫拥有了“锂电之父”的称号,事实上他一直是诺贝尔化学奖的热门人选,尽管此前年年陪跑,但并不影响他的科研热情。作为美国德州大学奥斯汀分校教授,古迪纳夫日日赶赴实验室,亲自带领学生并指导团队。 

  诞生于1922年的古迪纳夫,祖籍德国,父母离异迫使他逃离家庭,咬牙考入父亲母校——美国耶鲁大学,结果却多次更换专业,一开始主修古典文学,后来转到哲学,中间为了学医还选修过化学,临毕业又被一位数学教授看重,最终以数学学士学位结束了在耶鲁读书的日子。 

  二战爆发他义无反顾参了军,退役后选择去芝加哥大学进修物理,和杨振宁成为同窗密友。30岁开始读博,之后被推荐到麻省理工的林肯实验室并首次“触电”。1976年,54岁的古迪纳夫得到了牛津大学无机化学实验室主任的职位,努力适应当地雾蒙蒙天气的古迪纳夫从未想到,他在这里迎来了人生的重要转折点——研究领域彻底转向电池。 

  这些都为后来的成功铺平了道路,古迪纳夫此前谈论锂离子电池发展时直言:“成本、安全性、能量密度、充放电速率、循环寿命等参数,对于电动汽车的普及至关重要,我相信我们终将解决现有电池的诸多问题。” 

  “锂电推手”问鼎市场 

  真正将锂离子电池推向商业化的是“锂电推手”吉野彰。在古迪纳夫团队突破锂离子电池不稳定瓶颈之后,吉野彰团队围绕“优化锂离子电池性能并将其推向市场”展开研究,于1985年研发出了世界上首块商业可行的锂离子电池,由此拉开了人类移动信息革命的序幕。 

  吉野彰1948年1月30日出生于日本大阪,1972年毕业于京都大学大学院工学研究专业,之后进入日本综合性化工集团旭化成并再未离开,1981年正式涉足锂离子电池研发。吉野彰曾坦言:“电池技术是复杂又困难的交叉学科,需要多方面的专家,在我看来,锂离子电池是集智慧之大成的成果。” 

  1985年,在克服了诸多技术障碍之后,吉野彰团队彻底从电池中消除了金属锂,将电池阳极端的材料更改为一种石油焦,使得电子可以在两端之间轻松安全地流动,同时还不会与周围的材料发生反应并使它们降解,这样的组合具有安全性高、体积小、能量密度高等特性,同时还延长了电池的使用寿命。 

  1991年,日本索尼与旭化成展开合作,锂离子电池首次实现了商业化应用,移动电子的新格局由此诞生。此后,锂离子电池逐渐成为现代电子技术以及可持续能源经济不可或缺的一部分,是手机、电脑、电动汽车、太阳能电池板、风力涡轮机等重要产品的“心脏”。 

  尽管锂离子电池仍然存在不少问题,比如开采方式未必一定环境友好,且全球对于更轻、更小、充电速度更快且更环保的电池材料更加趋之若鹜,但其无疑是破解化石燃料发电格局的关键,尤其是在全球加速应对气候危机、降低污染和排放的大背景下。 

  诺贝尔委员会成员Olof Ramstrm表示:“人类在改善运输和供电方式以降低对环境影响方面只是开始,不仅是锂离子电池,未来还将出现更多种类的电池。锂离子电池的问世,敲开了零油气时代大门。”



(责任编辑:书雪)
 
 
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