2019诺贝尔化学奖解读:锂离子电池的研发与贡献

作者: 诺奖小分队

来源: 诺贝尔奖官方

发布日期: 2019-10-10 12:21:31

2019年诺贝尔化学奖授予了约翰·古迪纳夫、迈克尔·惠廷汉姆和吉野彰,以表彰他们在锂离子电池研发方面的贡献。这种电池不仅推动了手机、笔记本电脑等电子设备的发展,还为电动汽车和可再生能源存储提供了可能,从而促进了无化石燃料社会的实现。

约翰·班尼斯特·古迪纳夫、迈克尔·斯坦利·惠廷汉姆和吉野彰被授予2019年诺贝尔化学奖,以表彰他们对锂离子电池研发的贡献。这种可充电电池奠定了手机和笔记本电脑等无线电子产品的基础。它还使无化石燃料的世界成为可能,因为它被用于从电动汽车到可再生能源储存的几乎所有领域。

化学元素很少会在诺贝尔奖的评定中发挥核心作用,但2019年诺贝尔化学奖却有一个明确的主角——锂。

锂是金属,它的最外层只有一个电子,这使得锂具有很强的给电子能力。锂失电子时,会形成带正电且更稳定的锂离子。1970年代初期,斯坦利·惠廷汉姆利用锂外层电子脱出时释放的巨大能量研制出了首个实用的锂电池。1980年,约翰·古迪纳夫将电池的电压提高了一倍,从而为生产更高能量密度的电池创造了条件。1985年,吉野彰成功地用更安全的锂离子取代了电池中的金属锂,这使得电池的应用变得切实可行。

在20世纪中叶,世界上燃油车数量剧增,排放的尾气加剧了城市的空气污染。加上人们日益认识到石油是一种不可再生资源,这给汽车制造商和石油公司敲响了警钟。为了生存,它们需要投资电动汽车和新能源。用于汽车的电池电动汽车和新能源都需要能够存储大量能量的电池。当时,市场上实际上只有两种类型的可充电电池:1859年发明的铅酸电池(至今仍用作燃油车的启动电池)和镍镉电池(它是在20世纪上半叶发明的)。

石油耗尽的威胁导致石油巨头埃克森决定多元化经营。在一项投资巨大的基础研究中,他们招募了当时能源领域中最重要的一些研究人员,让他们可以自由地做自己想做的事,只要不涉及石油即可。斯坦利·惠廷汉姆是1972年入职埃克森公司的人之一。他来自斯坦福大学,他的研究内容包括可利用原子尺度空隙存储离子的固体材料。这种存储离子的现象称为插层反应。当离子嵌入时,材料的特性会发生变化。

1980年,约翰·古迪纳夫将电池的电压提高了一倍,从而为生产更高能量密度的电池创造了条件。1985年,吉野彰成功地用更安全的锂离子取代了电池中的金属锂,这使得电池的应用变得切实可行。锂离子电池给人类带来了非常大的益处,因为它推动了笔记本电脑、移动电话、电动汽车的发展以及太阳能、风能存储各个领域的发展。

1991年,日本一家大型的电子公司开始销售第一款锂离子电池,引发了电子设备的革命。手机、计算机轻便化,MP3、平板电脑等电子设备也应运而生。随后,世界各地的研究人员遍历元素周期表中的元素,以期研制出更好的电池,但还没有任何一款电池能在高容量和高电压方面超过锂离子电池。当然,锂离子电池体系也在不断经历演变和改进,这其中就包括古迪纳夫使用磷酸铁锂替代钴酸锂等,从而使得锂离子电池更加环保。

锂离子电池的生产对环境有影响,但也有巨大的环境效益。锂离子电池推动了清洁能源技术和电动汽车的发展,从而有助于减少温室气体和细颗粒物的排放。由此,古迪纳夫、惠廷汉姆和吉野彰的工作为无线通讯和无化石燃料的社会创造了适当的条件,为人类发展做出了巨大的贡献。

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