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2019年诺贝尔化学奖:日本又拿一枚,中国当奋起直追

2019年诺贝尔化学奖:日本又拿一枚,中国当奋起直追

他们创造了一个可充电的世界!

2019年10月9日,瑞典皇家科学院宣布,将2019年诺贝尔化学奖授予约翰·B·古迪纳夫(John B.Goodenough)(上图左)、M·斯坦利·威廷汉(M.Stanley Whittingham )(上图中)、吉野彰(Akira Yoshino)(上图右),以表彰他们“为锂离子电池的发展”做出的杰出贡献!

约翰·B·古迪纳夫,1922年生于美国,美国得州大学奥斯汀分校教授;M·斯坦利·威廷汉,1941年生于英国,美国纽约州立大学宾汉姆顿分校教授;吉野彰,1948年生于日本,日本名城大学教授。这三位科学家分别在锂离子电池发展的不同阶段做出了巨大的贡献,为锂离子电子的广泛应用奠定了技术基础。

如今锂离子电池已经广泛使用在人类的生活中,以上三位在锂离子电池发展过程中做出杰出贡献的科学家获奖可谓是实至名归。由于锂离子电池具有重量轻、比能量大、可快速充电、循环寿命长等众多优点,已经被广泛应用于包含手表、随身听、手机、笔记本电脑在内的各种便携式电子设备和电动汽车的相关领域。锂离子电池还可以储存大量来自太阳能和风能的能量,使一个无化石燃料的绿色环保的社会变成可能。难以想象,如果没有轻便、高效又节能的锂电池,我们的生活将会有多么不便!

锂离子电池的发展

讲锂离子电池之前,首先介绍一下锂元素。锂元素是化学元素周期表中的第三号元素。锂原子很轻,且具有很强的还原性,在化学反应中极易失去一个电子变成锂离子。

图:锂原子和锂离子

在一个电池中,金属锂存在于电池的负极(阳极)。电池放电的时候,锂原子经过化学反应失去电子,为电路提供电流。失去电子的锂原子变成锂离子,并且向电池的正极(阴极)移动。而电池在充电的时候,锂离子又会重新移动到负极,并且得到电子再次变成锂原子。

上个世纪70年代,为了应对能源危机,M·斯坦利·威廷汉致力于开发无化石燃料能源技术。他在研究超导体的过程中发现了一种含有很大能量的材料,这种材料是由二氧化钛组成的,而二氧化钛在分子水平上也可以容纳锂离子。于是M·斯坦利·威廷汉利用这种材料作为阴极,使用锂金属作为阳极,制成了首个锂电池。

图:M·斯坦利·威廷的锂电池

锂原子具有很强的释放电子的能力, M·斯坦利·威廷汉制造的锂电池产生的电压就稍稍超过了两伏,可以说明锂电池具有很大的潜力。但也正是由于锂金属化学反应能力太强,其作为阳极容易引起锂结晶,从而引起电池短路而爆炸,导致锂电池在应用中遇到困难。

图:金属锂作为阳极容易引起爆炸

约翰·B·古迪纳夫经过分析预言,如果使用金属氧化物而不是金属硫化物制造阴极,不管是电池的效率还是安全方面都能得到更好的效果。而他也在1980年证明,钴氧化物内嵌锂离子作为阴极的锂电池能产生高达4伏的电压,这是一个重要的突破。而钴氧化物分解温度高且氧化性低,即使出现短路、过充电,也能够避免燃烧、爆炸的危险。但约翰·B·古迪纳夫依旧使用金属锂作为其阳极,实际上,当时的锂电池已经有发展成为锂离子电池的趋势——许多研究人员不再使用金属锂作为阳极,而是在阴极材料中嵌入锂离子。这使得电池中的锂只是以锂离子而不是活性锂的形式存在,锂离子电池易爆炸的问题得到彻底解决。

图:约翰·B·古迪纳夫的锂电池

1985年,吉野彰以约翰·B·古迪纳夫的电池的阴极为基础,但他选择了石油焦炭作为电池的阳极。这种碳材料与阴极的钴氧化物一样,可以允许锂离子嵌入其中。很快,第一种商业上可行的锂离子电池便在吉野彰的手里诞生了!这种电池重量轻且耐磨,可以充放电数百次。从此,人类开始进入锂离子电池的时代。

图:吉野彰的锂离子电池

每年的诺贝尔科学奖,美国都是获奖大户。今年三项诺贝尔科学奖都已出炉,获奖9人中,5人来自美国,2人来自瑞士,1人来自英国,1人来自日本。自2000年以来,日本共有19位科学家获得诺贝尔自然科学奖,平均每年一位,将过去的诺贝尔奖强国——英国、德国、法国远远甩在身后,令国际社会惊叹不已。

中国如何加大基础科学的投入,持续进行科技体制革新,在世界尖端科学领域奋起直追,实现科技强国?这是摆在我们面前的重大问题。

最后,让我们向这三位为人类科技进步做出重大贡献的伟大的科学家致敬!


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