2019 諾貝爾化學獎頒給鋰電池領域,「足夠好」順帶打破諾獎最高齡得獎記錄!

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2019 年諾貝爾化學獎授予 John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham, Akira Yoshino,以表彰他們在鋰電池領域的貢獻。

圖片來自 @NobelPrize


約翰·班尼斯特·古迪納夫

這里面特別值得一提的是,約翰·班尼斯特·古迪納夫(John B. Goodenough),也就是我們標題里面所說的「足夠好」老爺子,今年已經 97 歲高齡了。在此之前,這個記錄由 96 歲高齡獲得 2018 年諾貝爾物理學獎阿瑟·阿什金(Arthur Ashkin)的保持。

鋰電池已經深入到我們日常生活的方方面面,這個領域能獲獎也是眾望所歸。今天我們就來給大家簡單聊聊鋰電池里面的歷史。

人類社會的發展離不開能源,幾次工業革命的發展都依賴于儲能技術的發展。今天,鋰離子電池為全世界提供著電力,從智能手機到電動汽車,鋰離子電池已經無處不在,它為日益機動的世界掃平了障礙。與其他商業化的可充放電池相比,鋰離子電池由于其具有能量密度高、循環壽命長、工作溫度范圍寬和安全可靠等優點,成為了各國科學家努力研究的重要方向。

不同的電池技術在體積和重量能量密度方面的對比

鋰離子電池是一種二次電池(可充電電池),主要由正極、負極、電解液、隔膜、外電路等部分組成。在電池內部,帶電的原子,也被稱為離子,沿著兩個電極之間的路徑運動,并產生電流。鋰離子電池主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充電過程中,鋰離子從正極材料中脫出,經過電解液傳輸至負極,電子由正極經外電路轉移至負極;而在放電過程中,鋰離子和電子的運動方向則與充電過程相反。在當前最常見的一種可反復充放電的鋰離子電池中,其正極是鈷酸鋰材料,負極是碳材料。

正在充電的鋰離子電池

1912年,鋰金屬電池最早由吉爾伯特·牛頓·路易士(Gilbert N. Lewis)提出并研究,但由于鋰金屬的化學性質非常活潑,使得鋰金屬的加工、保存和使用對環境要求非常高,使得鋰電池長期沒有得到應用。

20世紀70年代,美國爆發石油危機,政府意識到對石油進口的過度依耐性,開始大力發展太陽能和風能。但由于太陽能和風能的間歇性特點,最終還是需要可充電電池來儲存這些可再生的清潔能源。

此時,賓漢姆頓大學化學教授斯坦利·惠廷厄姆(M. Stanley Whittingham)在紐約起草了鋰電池的初始設計方案,采用硫化鈦作為正極材料,金屬鋰作為負極材料,制成了首個新型鋰電池。

鋰離子電池是由鋰電池發展而來,隨著科學技術的發展,現在鋰離子電池已經成為了主流。

鋰離子電池的基本概念,始于1972 年米歇爾·阿曼德(M. Armand)等提出的“搖椅式”電池(rocking chair battery)。在鋰離子電池的研究中,正負極材料的研發,是鋰離子電池發展的關鍵所在,有五位杰出的科學家在此方面做出了重要的開創性貢獻,特別是美國奧斯汀得克薩斯大學機械工程及電子工程系教授約翰·班尼斯特·古迪納夫(John B. Goodenough)為現在商業化正極材料的發展做出了卓越的貢獻。

他在57歲時建造了鋰離子電池的神經系統,鈷酸鋰(LiCoO2)正極材料是他的智慧結晶。他的這一材料,幾乎存在于當前每一款流通的便攜式電子設備中。

另一個重要的正極材料磷酸鐵鋰(LiFePO4)也是他的重要貢獻之一。1997年,以他為主的研究群報導了磷酸鐵鋰可逆地遷入脫出鋰的特性。磷酸鐵鋰是目前最安全的鋰離子電池正極材料,不含任何對人體有害的重金屬元素。作為鈷酸鋰和磷酸鐵鋰等正極材料的發明人,古迪納夫在鋰離子電池領域聲名卓著,是名副其實的“鋰離子電池之父”。

去年,已經 97 歲高齡的古迪納夫先生在 Nature Electronics 上刊文,回顧了可充電鋰離子電池的發明歷史,并對未來發展指明了道路。


商業鋰離子電池正負極材料的示意圖、主要發明人、發明時間

正極材料的研究成果,最終指引日本名古屋市的旭化成公司(Asahi Kasei)以及名城大學的吉野彰(Akira Yoshino)教授制備出了第一個可充電鋰離子電池:以鈷酸鋰作鋰源正極材料、石油焦作負極材料、六氟磷酸鋰(LiPF6)溶于丙烯碳酸酯(PC)和乙烯碳酸酯(EC)作電解液的可充放二次鋰離子電池。

這個電池成功應用到索尼公司最早期移動電話中,并在1991年開始商業化生產,標志著鋰離子電池時代的到來。在這隨后的每天里,世界各地的科學家們都在測試和開發更為高效和安全的鋰離子電池。

參考文獻

[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, 鋰離子電池基礎科學問題(XV)——總結和展望. 儲能科學與技術 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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