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本年的化学诺奖效果就在你的手上 | 直击诺奖
2019-11-06 23:48:12

2019年诺贝尔化学奖颁给了约翰B古迪纳夫(John B. Goodenough)、M斯坦利威廷汉(M. Stanley Whittingham)、吉野彰(Akira Yoshino),以赞誉他们对发明锂离子电池做出的奉献。这种可充电电池奠定了无线电子产品(如手机与笔记本电脑)的根底。它还给了咱们进入一个无化石燃料国际的可能性,因为它能用于各种事物,从给电动轿车供电到从可再生动力中贮存能量。

化学元素很少在戏剧中扮演中心人物,但2019年诺贝尔化学奖的故事中有一个清晰的主角:锂。锂是一种陈旧的元素,在国际大爆破发作的头几分钟发作。1817年,瑞典化学家约翰奥古斯特阿尔弗德森(Johan August Arfwedson)与永斯雅各布贝采利乌斯(Jns Jacob Berzelius)从斯德哥尔摩群岛上的外岛(Ut) 矿山矿藏样品中纯化出了锂,从此,人类发现了锂的存在。

贝采利乌斯用希腊文中的“石头”(lithos)来给这个新元素命名。这个姓名听起来很重,但锂其实是最轻的固体元素,所以咱们简直感觉不到顺手带着的手机的分量。

锂是一种金属,外电子层只需一个,这个电子很简单脱离锂,参加另一个原子。当这种状况发作,就构成了带有正电荷而且更安稳的锂离子

精确来说,这几位瑞典化学家并没有发现纯金属锂,而是发现了盐方式的锂离子。纯锂引发了多起火灾警报,尤其是在咱们接下来要讲的故事中。锂是一种不安稳的元素,必需求贮存在油中,以免与空气发作反响。

锂的缺陷——高反响性——也是它的长处。

  • 20世纪70年代初,斯坦利威廷汉运用锂开释最外层电子的强壮驱动力发明了榜首个可运用的锂电池。
  • 1980年,古迪纳夫将锂电池的电势提高了一倍,为出产出更强壮、更有用的电池发明了适宜的条件。
  • 1985年,吉野彰成功地从电池中去除了纯锂,让电池彻底运用比纯锂更安全的锂离子。

这令咱们能在实际生活中运用锂电池。锂离子电池给人类带来无尽的好处,它推动了笔记本电脑、手机、电动轿车的开展,也令咱们能贮存由太阳能与风能发作的能量。

现在,咱们将时间退回至五十年前,回到锂离子电池故事的初步。

1

20世纪中期,轿车尾气激发了电池研讨

20世纪中期,国际上燃油轿车的数量明显添加,轿车排放的废气使大城市的有害雾霾愈加严峻。再加上人们逐步认识到石油是一种有限资源,这给轿车制作商和石油公司敲响了警钟。假如企业要生计,他们需求出资寻觅新的代替动力以及电动轿车。

电动轿车和代替动力都需求用到电池来贮存许多的能量。那时商场上只需两种类型的可充电电池:一种是1859年发明的铅蓄电池(现在依然被用作燃油轿本年的化学诺奖效果就在你的手上 | 直击诺奖车的起动电池),另一种是20世纪前半叶发明的镍镉电池。

2

石油公司出资新技能

因为石油干涸的要挟,石油巨子埃克森决议将其事务多样化。在对一项根底研讨的严峻出资中,埃克森招募了其时在动力范畴中最重要的一些研讨人员。出资人许诺,只需不用到石油,研讨人员能够自由地做任何他们想做的研讨。

斯坦利威廷汉于1972年参加埃克森。他来自斯坦福大学,在学校时他研讨的是“嵌入”现象,即带电离子能够附着到具有原子巨细空地的固体资料傍边。当离子嵌入其间时,资料的性质会发作改动。参加埃克森后,斯坦利惠廷厄姆和他的搭档开端研讨超导资料,包括能够嵌入离子的二硫化钽。他们在二硫化钽中参加离子,并研讨其电导率怎么改动。

3

威廷汉发现了一种极具能量密度的资料

科学研讨中常有这样的作业,这个试验有了一个意料之外而且有价值的发现。结果标明,钾离子会影响二硫化钽的导电性,当斯坦利威廷汉开端具体研讨这种资料时,他观察到它具有十分高的能量密度。钾离子和二硫化钽之间的相互作用富含能量,当他丈量资料的电压时,它有几伏高。这比其时的许多电池更好。斯坦利威廷汉很快意识到,是时分改动方向,开展新技能,这项技能能够为未来的电动轿车贮存能量。可是,钽是比较重的元素,商场不需求更多的重电池——因而他用钛代替了钽,钛具有类似的性质,但轻得多。

M斯坦利威廷汉 | Jonathan Cohen / binghamton.edu

负电极上的锂

锂不该该在这个故事中占有一席之地吗?好吧,下面就要轮到它了——作为斯坦利威廷汉立异电池的负电极,锂不是一个随机的挑选。在电池中,电子应该从负极(阳极)流向正极(阴极)。因而,阳极应该包括一种简单开释电子的资料,而在一切元素中,锂是最简单开释电子的物质。

其结果是一种可在室温下作业的可充电锂电池,它具有字面意思的巨大“潜力”(译注:potential也是电势的意思)。斯坦利威廷汉前往坐落纽约的埃克森总部议论这个项目。会议继续了大约十五分钟,随后办理小组做出了敏捷的决议:他们将运用威廷汉的发现开发一种商业上可行的电池。

开端的充电电池电极由固体资料构成,当与电解液发作化学反响时会分化,而这会损坏电池。惠廷汉姆的锂电池优势在于,锂离子贮存于阴极二硫化钛资料的空隙中。电池放电时,锂离子从阳极的锂流入阴极的二硫化钛中;电池充电时,锂离子则反向移动

电池爆破与油价跌落

不幸的是,正要开端制作电池的团队遭受了许多波折。新的锂电池在重复充电时,锂电池的电极上长出了一些细微的枝晶。当这些枝晶触及到另一个电极时,电池短路并会导致爆破。消防队只得赶来熄灭一系列火灾,并终究要求试验室赔付用于熄灭锂着火的特别化学物质。

当阳极含有纯锂的电池充电时,会构成锂的枝晶,它们会使电池短路,导致着火乃至爆破。

为了使电池更安全,团队在金属锂电极里参加了铝,并改动了电极间的电解质。斯坦利威廷汉在1976年宣告了他们的发现,这种电池也开端了小规模出产,供应给一个期望用它制作太阳能表的瑞士挂钟商。

下一个方针便是将可充电锂电池扩大,然后用于给轿车供电。可是,八十年代初油价大幅下滑,埃克森美孚公司需求削减开支。研制作业被间断了,威廷汉的电池技能被授权给了三家国际不同当地的不同公司。

不过这并不意味着电池的开展中止了。埃克森美孚抛弃之时,约翰古迪纳夫接棒了。

石油危机使古迪纳夫对电池起了爱好

儿时古迪纳夫在学习阅览上有严峻的困难,这也是他投身于数学并在二战后终究投入物理的原因之一。他在麻省理工学院的林肯试验室作业了许多年,在那里,他为随机本年的化学诺奖效果就在你的手上 | 直击诺奖存取存储器(RAM)的开展做出了奉献。随机存储器至今仍是计算机的一个根本部件。

约翰古迪纳夫像其他许本年的化学诺奖效果就在你的手上 | 直击诺奖多七十年代的人相同,受石油危机影响并想要致力于开展其他动力。可是林肯试验室受美国空军赞助,不是一切类型的研讨都被答应。所以当他取得了一个英国牛津大学无机化学教授职位时,他抓住机会进入动力研讨这一重要范畴。

约翰B古迪纳夫 | DARREN CARROLL

约翰•B•古迪纳夫知道威廷汉的革新性电池,可是关于物质内部的专业知识沆瀣一气他,假如运用金属氧化物而不是金属硫化物制作电池的阴极,则能发作更大的电势。然后,他的研讨小组中的一些人就被要求去寻觅一种金属氧化物。这种金属氧化物在被锂离子嵌入时要发作高电压,而当离子被去除时对资料也不会有晦气的影响。

这种系统性的探究作业取得的成功超出了古迪纳夫的预期。威廷汉的电池能够发作逾越2伏的电压,但古迪纳夫发现,假如电池的阴极资料运用钴酸锂,电池可发作约4伏的电压,电力简直翻了倍。

而完成这一成果的关键因素在于,古迪纳夫意识到电池不用再像曾经那样在充好电的状态下进行加工和制作。相反,它们能够之后再进行充电。在1980年,他宣布了这种新式阴极资料的相关发现,它分量轻,能制备出强壮的高容量电池。而这是迈向“无线革新”决议性的一步。

古迪纳夫开端在锂电池的阴极运用钴酸锂,这简直使电池的电势翻倍,使电池变得强力许多。

西方跟着石油价格的下降,对代替动力的相关科技范畴及开发电动轿车的出资爱好也变淡了。日本却不同,电子公司火急地期望能取得轻型、可充电的电池,能够为立异型电子产品供电,例如摄像机、无绳电话和电脑。一个看到这种需求的人便是来自旭化成公司的吉野彰,他说:“我仅仅嗅出了一点趋势的开展方向。你能够说,我有杰出的嗅觉。”

吉野:榜首个商业化的锂离子电池

吉野彰决议开发一种功能性充电电池的时分,他以古迪纳夫的锂钴氧化物为阴极,测验运用各种碳基资料作为阳极。研讨者此前标明,锂离子能被嵌入石墨分子中,但石墨会被电池电解液损坏。吉野彰的尤里卡时间终究到来:他用了石油焦(石油工业的副产物)。当他用电子给石油焦充电时,锂离子被招引进了资猜中。随后他翻开电池,电子和锂离子流向电势更高的钴氧化物阴极。

吉野彰 | epo.org

吉野彰研制的电池安稳、轻量,具有高容量,能发作适当高的4伏电压。锂离子电池最大的优势是离子嵌入在电极傍边。其他电池大多根据触及电极的化学反响,电极会缓慢但必定地在反响中发作改动。而锂离子电池被充电和运用时,离子在电极间活动但不与周围环境发作反响。这意味着这种电池有更长的寿数,在功能阑珊前能够充电数百次。

吉野彰开发了榜首种有商业价值的锂离子电池。他在电池的阴极运用古迪纳夫的钴酸锂,阳极运用一种碳资料——石油焦,后者也能够嵌入锂离子。这种电池的功能并不根据任何损坏电池结构的化学反响,只需锂离子在两个电极之间来回移动,这让电池具有了很长的运用寿数。

另一个巨大的前进在于,这种电池里没有纯锂。1986年,吉野彰测验了这种电池的安全性。他慎重行事,运用一种为测验爆破设备而规划的设备。他把一大块铁丢在电池上,什么也没有发作。不过,在用含有纯锂的电池进行重复试验时,这导致了一场剧烈爆破。

经过安全测验是电池未本年的化学诺奖效果就在你的手上 | 直击诺奖来开展的根底。吉野彰说,这是“锂离子电池诞生之刻。”

锂离子电池——无化石燃料社会的必需品

1991年,日本一家大型电子公司开端出售榜首块锂离子电池,然后引发了电子职业的一场革新。移动电话更为细巧,电脑开端能够便携,MP3播放器和平板电脑也随之被研制出来。

随后,国际各地的研讨人员在元素周期表中寻觅更好的电池资料,但还没有人成功发明出能逾越锂离子电池高容量和高电压的产品。当然,锂离子电池也在进幸福小区七号楼行改动和进化;其间尤为重要的是,约翰古迪纳夫选用磷酸锂铁代替了钴氧化物,使电池变得更为环保。

与简直一切其他产品相同,锂离子电池的出产会对环境有影响,但它一起带来了巨大的环境收益。这种电池让清洁动力技能和电动轿车得以开展,然后有助于削减温室气体和微粒的排放。

经过他们的作业,约翰古迪纳夫、斯坦利威廷汉与吉野彰为树立一个无化石燃料的无线社会发明了杰出的条件,给人类带来了最大的利益。

一个AI

本篇诺奖报导由AI从锂离子电池设备上宣布,读者可在锂离子电池驱动的便携式智能无绳电话上检查。

翻译:Amaranth,木易杨杨,黎小球,odette,Amber,darla,antares,迦畞,李小葵

校正:窗敲雨

编译来历:诺贝尔奖官方

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