[尸兄]详解2019诺贝尔化学奖:他们发现了世界最壮年夜的电池

时间:2020-01-07 21:46:49 作者:河北省爱分享网络技术有限公司 热度:99℃
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新浪科技讯北京时候10月9日动静,瑞典皇家科学院决议将2019年诺贝尔化学奖授予约翰古迪纳夫(John B。Goodenough)、斯坦利威廷汉(M。Stanley Whittingham)和吉野彰,以表扬他们对锂离子电池的研究。这种可充电电池为手机和笔记本电脑等无线电子产物奠基了根本,还使一个无化石燃料的世界成为可能。从为电动汽车供给动力,到储存可再生能源,锂离子电池揭示出了普遍的用途。

引言

电能为我们的糊口供给了能量,无论何时何地,我们都需要电能。现在,即使四周没有电源插座,我们也可以十分便利、高效地获取电能。我们的移动体例越来越无拘无束,对电线的依靠也越来越少,可以在一个可能更健康的情况中享受高灵活性。这一令人瞩目标成长是由高效的储能设备实现的。高容量电池使各类电动东西和车辆成为可能。原则上,我们都可以便捷地利用手机、相机、笔记本电脑、电动东西等,依靠高效的电池为它们供给动力。跟着现代电池手艺的成长,电动汽车也越来越受接待。我们正处在解脱化石燃料汽车的时代。此外,有用的能源储存是对不不变的能源(如风能和太阳能)的主要弥补。有了电池,供需链可以跟着时候的推移而均衡,即使在没有能源产出的环境下也是如斯。

在很年夜水平上,锂离子电池使这些成长成为可能。这种电池彻底改变了能量存储手艺,并促成了移动革命的实现。经由过程锂离子电池的高电势,高能量密度和高容量,这种电池类型为改善我们的糊口做出了庞年夜进献,并将在将来几年继续阐扬感化。然而,总体而言,电池的成长很是艰难且具有挑战性,尤其是锂电池。自1800年亚历山德罗伏特提出他闻名的“电池堆”以来,无数的科学家和工程师为电池的开辟投进了庞年夜的尽力。

从根基布局上,电池的工作道理是相对简单的。电池由两个电极构成,每个电极毗连到一个电路,电解液可以容纳带电的物质。凡是环境下,电极之间被一种隔离材料离隔,这种隔离材料可以防止电极之间的物理接触,从而避免电池短路。在放电模式下,当电池驱动电流时,负极(阳极)发生氧化过程,导致电子从电极流出并穿过电路。在正极(阴极)会发生一个互补的还原过程,从电路中获得电子。电池电压很年夜水平上取决于电极的电势差,整个过程是自觉的。对于可充电电池,这一过程可以逆转,外加电流可感化于电极,发生互补的氧化还原反映。这个过程长短自觉的,需要能量输进。

很多在学术界、产业界甚至是自力工作的科学家和工程师都为电池的成长做出了进献,他们也深深理解开辟高效电池是一项很是坚苦的使命。是以,电池成长相对迟缓,只有少少数有用的电池设置装备安排在设计成功后应用多年。例如,我们仍然依靠于19世纪中期发现的铅酸电池。尽管如斯,经由过程一系列冲破性的多学科科学发现,包罗电化学、有机和无机化学、材料科学等,研究职员解决了诸多挑战,终于锂离子电池成为实际,从底子上改变了我们的世界。

布景

一种元素很少在戏剧中饰演焦点脚色,但2019年诺贝尔化学奖的故事中,有一个明白的主角:锂。这是一种在年夜爆炸的最初几分钟内发生的古老元素。1817年,当瑞典化学家Johan August Arfwedson和Jns Jacob Berzelius从斯德哥尔摩群岛乌托矿(Ut Mine)的矿物样本中提纯出这种物质时,人类才知道它的存在。

Berzelius将这种新元素定名为“lithos”,这个词在希腊语中意思是“石头”。尽管名字很厚重,但它倒是最轻的固体元素。这也恰是我们有时几乎不会留意得手机的原因。

更切本地说,瑞典化学家现实上并没有发现纯金属锂,而是发现了一种盐形式的锂离子。纯锂激发了很多火警警报,尤其是在我们将要讲述的故事中;这是一种不不变的元素,必需储存在石油中,如许才不会与空气发生反映。

▲锂是一种金属,其外电子层只有一个电子,是以有很强的动利巴这个电子留给另一个原子。当这种环境发生时,就会形成一个更不变的带正电荷锂离子

锂的弱点是反映性,但这也是它的长处。20世纪70年月初,斯坦利威廷汉开辟了第一块功能齐备的锂电池,他操纵了锂开释其外层电子壮年夜驱动力。1980年,古迪纳夫将电池的电势进步了一倍,为开辟更壮年夜、更适用的电池缔造了合适的前提。1985年,吉野彰成功地从电池中往除了纯锂,而是完全基于锂离子,由于锂离子比纯锂更平安。

这使得锂电池成为了现实可行的电池。锂离子电池给人类带来了庞年夜的益处,使笔记本电脑、手机、电动汽车以及太阳能和风能的储存成为可能。

我们将回到50年前,回到锂离子电池最初的时代。

石油阴霾使电池研究重获新生

▲最初的可充电电池的电极中含有固体物质,当它们与电解液发生化学反映时就会分化。这一过程会损毁电池。斯坦利威廷汉的锂电池的长处是,锂离子储存在阴极的二硫化钛空间中。当电池利用时,锂离子会从阳极的锂流向阴极的二硫化钛;而当电池充电时,锂离子又会回流

20世纪中期,世界上利用汽油的汽车数目明显增添,汽车排放的废气使年夜城市里的有害雾霾加倍严重。与此同时,人们日益熟悉到石油是一种有限资本。这一切都为汽车制造商和石油公司敲响了警钟。假如他们的企业要保存下往,就需要投资电动汽车和替换能源。

电动汽车和替换能源都需要壮年夜的电池来储存年夜量的能量。现实上,那时市场上只有两种类型的可充电电池:早在1859年发现的铅酸电池(今朝仍然用作燃油汽车的启动电池)和20世纪上半叶发现的镍镉电池。

石油公司投资新手艺

面对石油枯竭的威胁,石油巨子埃克森(Exxon)决议将其营业多样化。在一项根本研究的重年夜投资中,埃克森公司招募了那时在能源范畴最主要的一些研究职员,让他们可以自由地做几乎任何想做的工作,只要不涉及石油。

▲当以纯锂为阳极的电池充电时,会导致锂枝晶的形成。这些锂枝晶会使电池短路,引起火警甚至爆炸

斯坦利威廷汉是1972年插手埃克森公司的科学家之一。他来自斯坦福年夜学,从事某些固体材料的研究。这些材猜中具有原子巨细的空间,可以让带电离子附着在上面。这种现象称为嵌进(intercalation)。当离子在材料内部被捕捉时,材料的性质就会改变。在埃克森,斯坦利威廷汉和同事最先研究超导材料,包罗可以嵌进离子的二硫化钽。他们在二硫化钽中插手离子,并研究其电导率会受何影响。

威廷汉发现了一种能量密度极高的物质

就像科学上经常发生的环境一样,这个尝试带来了一个意想不到的发现。本来钾离子会影响了二硫化钽的电导率。当斯坦利威廷汉最先具体研究这种材料时,他不雅察到它有很是高的能量密度。也就是说,钾离子和二硫化钽之间的彼此感化具有惊人的能量。当威廷汉丈量这种材料的电压时,发现可达好几伏,这比那时的电池很多几多了。斯坦利威廷汉很称心识到是时辰改变标的目标了,他转向了能为将来的电动汽车储存能量的新手艺。然而,钽是一种比力重的元素,而市场上不需要装载更重的电池。是以,他用钛取代了钽,钛的性质与钽相似,但重量轻得多。

作为负极的锂

▲古迪纳夫最先在锂电池的阴极中利用钴氧化物。这几乎使电池的电势翻了一番,使其加倍壮年夜

于是,在锂离子电池的故事中,锂最先占有最主要的位置。作为斯坦利威廷汉的新电池的负极,锂并不是一个随机的选择。在电池中,电子应该从负极(阳极)流向正极(阴极)。是以,负极应该利用一种很轻易掉往电子的材料,而在所有的元素中,锂是最愿意开释电子的元素。

这么做的成果就是,斯坦利威廷汉开辟出了一种可在室温下工作的可充电锂电池,它具有很年夜的电势,也具有庞年夜的潜力。他前往埃克森位于纽约的总部,就该项目进行了会商。会议持续了年夜约15分钟,治理团队随后敏捷做出决议:他们将操纵斯坦利威廷汉的发现开辟一种具有贸易可行性的电池。

电池爆炸和油价下跌

不幸的是,预备最师长教师产电池的小组碰到了一些坚苦。跟着新的锂电池被频频充电,在锂电极上最先呈现薄层的锂物质。当它们抵达另一个电极时,电池就会呈现短路并激发爆炸。***不得未几回出动毁灭火警,他们威胁要尝试室付出用于毁灭这些锂电池年夜火所耗损的非凡化学物质的用度。为了让电池加倍平安,在金属锂电极中插手了铝,两个电极之间的电解液也进行了改换。

斯坦利威廷汉在1976年公布了本身的发现,随后电池最先为一家瑞士钟表商进行小规模出产,并打算将其用于太阳能驱动的钟表傍边。下一步的方针是扩充电池的容量,以便使其可以或许为汽车充电。可是在1980年月初,石油价钱忽然呈现明显下降,埃克森公司需要削减本钱。于是相关研究工作被停了下来,威廷汉所发现的手艺被授权给了世界三个分歧地域的三家分歧的公司。但这并非意味着研究工作的终结。当埃克森公司抛却相关工作之后,约翰古迪纳夫接办了。

▲吉野彰研制出了第一款可商用锂离子电池。他在阴极利用了古迪纳夫的锂-钴氧化物,并在阳极利用了一种名为石油焦的碳基材料,该材猜中也可以插进锂离子。这款电池在阐扬功能时,并不会发生粉碎自身的化学反映。相反,锂离子可以在电极之间往返活动,使电池寿命年夜年夜耽误

石油危机让古迪纳夫最先对电池手艺感爱好

仍是一个孩子时,古迪纳夫在阅读方面存在较着障碍,这也是为何他会被数学吸引,并终极,在二战竣事之后,最先研究物理学的原因之一。他在美国麻省理工学院林肯尝试室工作多年。在此时代,他对随机存储器(RAM)的研究做出了进献,时至本日RAM依旧是我们计较机中不成或缺的部件。

古迪纳夫和上世纪1970年月的很多人一样,都深深受到了石油危机的影响,于是他但愿可以或许为能源的替换选择做出进献。然而,林肯尝试室是由美国空军帮助的,并不答应从事这类研究。是以,当他被供给一个在英国牛津年夜学担任无机化学传授的机遇时,他捉住了机遇并终极一头扎进了主要的能源研究范畴之中。

当锂离子与氧化钴连系时所发生的高电压

古迪纳夫知道威廷汉发现的革命性的新电池手艺,但他对于物质内部布局的专业常识告诉他,假如电池的阴极用金属氧化物,而不是金属硫化物来建造,那么阴极的电势将可以更高一些。于是他的研究组的几位成员被交接了一项使命,寻找合适的金属氧化物,其该当可以在锂离子感化下可以发生比力高的电压,而且当这些离子被往除时也不会呈现题目。

这一系统性搜寻的成果要比古迪纳夫原先设想的高得多。威廷汉的电池可以发生略多于2伏特的电压,但古迪纳夫发现,在阴极中利用钴酸锂材料的电池发生的电压将可以晋升两倍,达到4伏特。在这此中的一项要害性发现是,古迪纳夫意识到,电池并不需要连结在充电状况下才能出产,而在此之前一向就是如许做的。相反,它们可以在被制造出来之后再充电。在1980年,他对外发布了这项全新的,高能量密度的阴极材料。尽管它分量很轻,却同样可以制造出机能强劲的电池。这是人类进进移动时代的要害一步。

日本公司火急巴看轻质电池用于新型电子产物供电

然而,在西方,跟着石油价钱下探,对于寻找替换能源,以及开辟不利用石油的电动车的投资热情最先呈现下降。可是在日本,环境就完全分歧。电子公司拼了命想要获得一种轻质,且可频频充电的电池,用于为他们的便携式摄像机,无线德律风机和计较机供电。此中一个看到了这种庞年夜需求的人,即是日本旭化成股份有限公司的吉野彰。正如他本身所言的那样:“这就像嗅出趋向的风雅向。你可以说,我这方面的嗅觉比力活络。”

吉野彰开辟了第一个可商用锂离子电池

当吉野彰决议开辟一种功能性可充电电池时,他选择了古迪纳夫的钴酸锂作为阴极,并测验测验利用各类碳基材料作为阳极。此前研究职员已经证实,锂离子可以插进到石墨的分子层中,可是石墨会被电池的电解液分化。当吉野彰测验测验利用石油焦(石油产业的副产物)时,他终于找到了灵感。他用电子给石油焦充电,发现锂离子被吸进了材猜中。然后,当他打开电池时,电子和锂离子流向阴极的钴酸锂,而钴酸锂的电势要高得多。

吉野彰开辟的电池具有工作不变、重量轻、容量年夜的长处,能发生4伏的电压。锂离子电池最年夜的长处是离子能嵌进到电极上。其他年夜大都电池都是基于化学反映,而在化学反映中,电极会迟缓而不变地改变。当锂离子电池充电或放电时,离子在电极之间活动,不与四周情况发生反映。这意味着电池的寿命更长,在充电数百次后机能才会下降。

别的一个庞年夜的上风在于,电池中不含有纯的锂。在1986年,当吉野彰在对电池的平安性进行测试时,他很是小心谨严,甚至将检测工作放在一间专门用于爆炸物查验的房间内进行。他向电池抛掷一年夜块铁,可是什么也没有发生。然而,当利用含有纯锂的电池进行反复试验时,电池发生了猛烈爆炸。经由过程平安性测试对于这款电池的将来远景极为要害。正如吉野彰所言的那样:这一刻,标记取锂电池正式降生了。

锂离子电池在无需化石燃料的社会中不成或缺

1991年,一家年夜型日本企业率先最先发卖锂离子电池,在电子业激发了一场革命。手机体积得以缩小,电脑最先走向便携,MP3音乐播放器和平板电脑也逐渐问世。

在此之后,全世界的研究职员顺着元素周期表睁开了依次搜刮,试图研制出机能更优良的电池,但没有一种电池能在电池容量和电压上打败锂离子电池。不外,锂离子电池近年来也一向在改革和改良。例如,古迪纳夫将此中的氧化钴换成了磷酸铁,使电池变得加倍环保。

就像几乎所有人类出产勾当一样,锂离子电池的出产也对情况造成了必然影响,但也为情况带来了庞年夜的益处。有了锂离子电池,研究职员得以发现更洁净的能源手艺和电动汽车,从而有力削减了温室气体和颗粒物的排放。

古迪纳夫、斯坦利威廷汉和吉野彰经由过程他们的研究工作,为一个无线、无需化石燃料的新型社会创造了适当条件,极大地造福了全人类。


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