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2019 诺贝尔化学奖颁给锂电池领域,「足够好」顺带打破诺奖最高龄得奖记录!

原创:中科院物理所

就在刚才

2019 年诺贝尔化学奖授予 John B. Goodenough,  M. Stanley Whittingham, Akira Yoshino,以表彰他们在锂电池领域的贡献。

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图片来自 @NobelPrize

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约翰·班尼斯特·古迪纳夫

这里面特别值得一提的是,约翰·班尼斯特·古迪纳夫(John B. Goodenough),也就是我们标题里面所说的「足够好」老爷子,今年已经 97 岁高龄了。在此之前,这个记录由 90 岁高龄获得 2007 年诺贝尔经济学奖的里奥尼德·赫维克兹保持。

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锂电池已经深入到我们日常生活的方方面面,这个领域能获奖也是众望所归。今天我们就来给大家简单聊聊锂电池里面的历史。

我们还能预测化学奖,没想到吧

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人类社会的发展离不开能源,几次工业革命的发展都依赖于储能技术的发展。今天,锂离子电池为全世界提供着电力,从智能手机到电动汽车,锂离子电池已经无处不在,它为日益机动的世界扫平了障碍。与其他商业化的可充放电池相比,锂离子电池由于其具有能量密度高、循环寿命长、工作温度范围宽和安全可靠等优点,成为了各国科学家努力研究的重要方向。

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不同的电池技术在体积和重量能量密度方面的对比

锂离子电池是一种二次电池(可充电电池),主要由正极、负极、电解液、隔膜、外电路等部分组成。在电池内部,带电的原子,也被称为离子,沿着两个电极之间的路径运动,并产生电流。锂离子电池主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充电过程中,锂离子从正极材料中脱出,经过电解液传输至负极,电子由负极经外电路转移至正极;而在放电过程中,锂离子和电子的运动方向则与充电过程相反。在当前最常见的一种可反复充放电的锂离子电池中,其正极是钴酸锂材料,负极是碳材料。

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正在充电的锂离子电池

1912年,锂金属电池最早由吉尔伯特·牛顿·路易士(Gilbert N. Lewis)提出并研究,但由于锂金属的化学性质非常活泼,使得锂金属的加工、保存和使用对环境要求非常高,使得锂电池长期没有得到应用。

20世纪70年代,美国爆发石油危机,政府意识到对石油进口的过度依耐性,开始大力发展太阳能和风能。但由于太阳能和风能的间歇性特点,最终还是需要可充电电池来储存这些可再生的清洁能源。

此时,宾汉姆顿大学化学教授斯坦利·惠廷厄姆(M. Stanley Whittingham)在纽约起草了锂电池的初始设计方案,采用硫化钛作为正极材料,金属锂作为负极材料,制成了首个新型锂电池。

锂离子电池是由锂电池发展而来,随着科学技术的发展,现在锂离子电池已经成为了主流。

锂离子电池的基本概念,始于1972 年米歇尔·阿曼德(M. Armand)等提出的“摇椅式”电池(rocking chair battery)。在锂离子电池的研究中,正负极材料的研发,是锂离子电池发展的关键所在,有五位杰出的科学家在此方面做出了重要的开创性贡献,特别是美国奥斯汀得克萨斯大学机械工程及电子工程系教授约翰·班尼斯特·古迪纳夫(John B. Goodenough)为现在商业化正极材料的发展做出了卓越的贡献。

他在57岁时建造了锂离子电池的神经系统,钴酸锂(LiCoO2)正极材料是他的智慧结晶。他的这一材料,几乎存在于当前每一款流通的便携式电子设备中。

另一个重要的正极材料磷酸铁锂(LiFePO4)也是他的重要贡献之一。1997年,以他为主的研究群报导了磷酸铁锂可逆地迁入脱出锂的特性。磷酸铁锂是目前最安全的锂离子电池正极材料,不含任何对人体有害的重金属元素。作为钴酸锂和磷酸铁锂等正极材料的发明人,古迪纳夫在锂离子电池领域声名卓著,是名副其实的“锂离子电池之父”。

今年,已经 97 岁高龄的古迪纳夫先生在 Nature Electronics 上刊文,回顾了可充电锂离子电池的发明历史,并对未来发展指明了道路。

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商业锂离子电池正负极材料的示意图、主要发明人、发明时间

正极材料的研究成果,最终指引日本名古屋市的旭化成公司(Asahi Kasei)以及名城大学的旭化成(Akira Yoshino)教授制备出了第一个可充电锂离子电池:以钴酸锂作锂源正极材料、石油焦作负极材料、六氟磷酸锂(LiPF6)溶于丙烯碳酸酯(PC)和乙烯碳酸酯(EC)作电解液的可充放二次锂离子电池。

这个电池成功应用到索尼公司最早期移动电话中,并在1991年开始商业化生产,标志着锂离子电池时代的到来。在这随后的每天里,世界各地的科学家们都在测试和开发更为高效和安全的锂离子电池。

参考文献

[1] Armand, M.; Tarascon, J. M., Building better batteries. Nature 2008, 451 (7179), 652-657.

[2] Tarascon, J. M.; Armand, M., Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries. Nature 2001, 414 (6861), 359-367.

[3] Armand, M.; Murphy, D.; Broadhead, J., Materials for Advanced Batteries. 1980.

[4] 李泓, 锂离子电池基础科学问题(XV)——总结和展望. 储能科学与技术 2015, 4 (3), 306-318.

[5] Nishi, Y., The development of lithium ion secondary batteries. The Chemical Record 2001, 1 (5), 406-413.

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