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2019年诺贝尔化学奖给了锂电池:没有他们,你玩手机就是在玩点燃的炸药包

2019-10-10
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10月9日,瑞典皇家科学院宣布,将2019年诺贝尔化学奖授予德州大学奥斯汀分校教授John B.Goodenough,纽约州立大学宾汉姆顿分校教授M.Stanley Whittingham,以及日本名城大学教授吉野彰,以表彰他们“在发明锂电池过程中做出的贡献”。

  

他们创造了一个可充电的世界


2019年度诺贝尔化学奖奖励锂电池的发明。这种轻巧,可充电且性能强劲的电池今天早已进入寻常百姓家,被每一部手机,笔记本和其他电子设备所使用。它还能用于存储太阳能和风能,从而让构建一个零化石燃料使用的社会成为可能。
  
锂电池被全球范围被被广泛用于为便携式电子设备提供电力,方面我们通讯,工作,开展研究,听音乐,或者检索知识。锂电池的发明还让可以长距离行驶的电动汽车研发成为可能,同时它也被广泛用于可再生能源,如太阳能和风能的存储。

  
锂离子电池已经彻底改变了我们的生活,并被用于从手机到笔记本电脑和电动汽车的所有领域。通过他们的工作,今年的化学获奖者奠定了无线、无化石燃料社会的基础。
  
锂电池的研发基础在1970年代的石油危机期间被构建起来。当时,Stanley Whittingham正致力于研制一种可以摆脱石油燃料的能源技术。他开始对超导体材料进行研究,并很快发现了一种极端富能的材料,利用这种材料,他将这种材料创造性的用于制作锂电池的阴极。这是使用二硫化钛制作的,在分子层面上,其内部空隙可以容纳锂离子。
  
电池的正极部分由金属锂制成。锂有很强的释放电子的驱动力。这就形成了一个具有巨大电势的电池,刚刚超过2伏特。然而,金属锂是活性的,电池爆炸的风险太大,在商业上并不可行。
  
John Goodenough预测,如果用一种金属氧化物而不是金属硫化物来制造阴极,那么电池将具有更大的电势。经过系统的研究,在1980年,他证明了嵌入锂离子的氧化钴可以产生高达4伏特的电压。这是一个重要的突破,将带来更强大的电池。

  
20世纪70年代初,斯坦利·惠廷汉姆(Stanley Whittingham,今年的化学奖得主)开发出第一块可工作的锂电池时,他利用锂的巨大动力释放其外部电子。
  
以Goodenough的阴极为基础,吉野彰在1985年发明了第一个商业上可行的锂离子电池。他没有在阳极使用活性锂,而是使用石油焦,这是一种碳材料,像阴极的钴氧化物一样,可以插入锂离子。
  
于是,研究者获得了一种重量轻且耐用的电池,在性能衰竭之前可以充电数百次。锂离子电池的优点是,它们不是基于分解电极的化学反应,而是基于锂离子在正极和负极之间来回流动。
  
自1991年首次投入市场以来,锂离子电池已经彻底改变了我们的生活。它们为无线通讯和建立无化石燃料社会奠定了基础,为人类带来了巨大的利益。
  
此前,美国化学会周刊《化学化工新闻》(C&EN)做出了相当准确的预测。当时该期刊表示,今年的化学奖很有可能会在电池研究、基因编辑技术、金属有机框架材料研究等改变人类世界生活的三大领域中产生,并猜测今年的获奖者可能会是97岁高龄的“锂电池之父”、美国德州大学奥斯汀分校(University of Texas at Austin)机械工程系教授古迪纳夫(John B.Goodenough)。
 
为什么是锂电池?为什么是老爷子?有什么八卦?请往下看!

  
John B Goodenough,美国德州大学奥斯汀分校机械工程系教授,锂电池之父,美国科学院和工程院两院院士,曾获2001年 Japan Prize,2009年 Fermi Award,2011年美国国家科学奖章 和2014年Charles Stark Draper Prize。老爷子出生于1922年7月25日,二战老兵,本科毕业于耶鲁大学数学系,芝加哥大学物理博士,杨振宁先生的同学。如今以97岁高龄,仍然坚持研究工作,寻找下一个超级电池。

  
M.Stanley Whittingham,纽约州立大学Binghamton 分校化学和材料科学与工程教授,锂电池研究先驱。1941年出生,本科、硕士和博士均毕业于牛津大学。加入Binghamton之前,长期在石油公司Exxon工作,从事电池研发。

  
吉野彰 (Akira Yoshino),1948年生于日本。1972年吉野彰毕业于京都大学大学院工学研究专业。智能手机和电动汽车使用的锂离子电池的开发者、旭化成公司研究员,旭化成株式会社吉野研究室室长,还是京都大学大学院工学研究专业特命教授。
  

为什么是锂电池?


为什么是锂电池得奖?相信很多人会有这样的疑问。要回答这个问题,有必要先看看诺贝尔的遗嘱:The said interest shall be divided into five equal parts, /- - -/ one part to the person who shall have made the most important chemical discovery or improvement……
  
也就是说,诺贝尔化学奖应该授予做出最重要化学工作的人。锂电池是这样的一个发现么?请各位扪心自问,一天有多少时间花在手机上、微信上?没有锂电池,这一切很难想象!
  
从商务到休闲,从阅读到游戏,老爷子的锂电池让您的移动生活成为可能!
  
在走进老爷子的世界之前,让我们先退一步,回想过去六七十年最重要的一些技术发明和进步。不管您是穆斯林还是基督徒,信奉释迦牟尼还是老庄,您是否注意到,有两样东西如今无所不在,对社会和经济产生巨大的冲击,彻底改变了人们的工作和生活?第一个是三极管,贝尔实验室的产物,开辟了电子时代,催生了Intel和Microsoft,促成了信息革命,并且早在1956年就获得诺贝尔奖。第二个就是锂电池!是它给三极管插上了翅膀,让您的移动生活和工作成为可能。没有它就没有笔记本电脑、智能手机和平板;没有它就没有苹果的重生、没有三星、没有特斯拉……
  
咱终于也和诺贝尔奖亲密接触一次啦!现在知道,为什么要把诺贝尔奖给锂电池了么?那锂电池和Goodenough老爷子,又有什么渊源呢?
  

为什么给老爷子?


在走近锂电池的前生后世之前,让我们先八卦一点老先生的花絮。古老爷子在家排行老二,可以说是出生在书香门第,老爸是耶鲁教授,兄弟姐妹也都在学术圈混。不幸的是父母关系恶劣,殃及池鱼,12岁就把他送去读寄宿学校。因此Goodenough和父母关系非常冷淡,几乎从来不提他们。他在中学似乎也并不好好读书,不过最终还是去了耶鲁念数学,毕业成绩优异。Goodenough的家庭背景和孩童时代成长经历,看起来和知社学术圈前段介绍的LIGO之父 Weiss有很大的类似性。
  
大学毕业之后Goodenough去当兵,远赴欧洲战场打第二次世界大战,传言还参加过诺曼底登陆。战后他驻扎在葡萄牙,做陆军上尉。这个时候幸运之神敲门,一份电报过来,让他48小时之内回到华盛顿报道。原来政府有一笔没花完的钱,要用来送21名军人去念研究生,一个耶鲁教授推荐了他。于是 Goodenough来到芝加哥大学念物理,虽然他本科压根就没有修过科学课程。那一年他24岁。
  
芝加哥大学物理系那个年代高人满座,大师云集,包括费米和泰勒,当然还有跟着泰勒念博士的杨振宁。年轻的Goodenoguh上课的时候,一个教授问他, 我真不知道你来干嘛!但凡在物理上做出点什么名堂的人,在你这把年纪早就已经做出来了:I don’t understand you veterans。Don’t you know that anyone who has ever done anything significant in physics has already done it by the time he was your age?
  
这话简直是一语成谶:杨老非常年轻的时候就得了诺贝尔,古老90多岁了才得到他应得的荣誉,还不是物理的。
  
不过Goodenough好歹还是从芝加哥大学物理博士毕业了,之后去了MIT Lincoln实验室,在美国空军资助下研究防空系统所用到的存储元件。这期间他发现了磁性材料中所谓的Goodenough-Kanamori准则,描述原子间自旋的相互作用。到了六七十年代,石油危机引发广泛关注,Goodenough开始将注意力转向能源存储。可是能源领域的研究属于美国能源部的范畴,和空军无关,老爷子也碰到了经费问题。幸运之神这时再次敲门,牛津大学要在无机化学方向找个教授,Goodenough被选中了,虽然他只修过两门大学本科化学课。到了牛津,Goodenough因严厉而声名远扬。他教的一门物理课第一堂来了165个学生,教室里面水泄不通。等到第二堂的时候,只回来了8个学生,大家都被他吓跑了。

  
回到锂电池的缘起,还得从上个世纪的石油危机说起。在二十世纪初汽车刚刚出现的时候,电动汽车其实大行其道,但最终被汽油车所淘汰。到了上世纪70年代,爆发世界能源危机,石油供给短缺,促使大家开始重新关注电动车,这样曾经显得很乏味的电池,开始引起人们的重视。这个时候 Goodenough刚刚从麻省理工学院跳槽到牛津,而另一个锂电池先驱Whittingham则刚从斯坦福去石油巨头 Exxon工作。

  
最初的电动汽车用的是铅酸电池,19世纪中期发明的。1966年,福特汽车公司推出了新型的NaS电池,S做阴极Na做阳极,较铅酸电池轻而且能量密度高。听起来是不错,只是其工作温度高达300摄氏度,而Na在98度就融化,遇见空气就着火,显然安全很成问题。尽管如此,福特声称NaS电池汽车可以跑200英里,充电只需要一个小时,即便今天,这也是有吸引力的。于是当时大伙都涌向电池,研究热度和今天有一拼。

  
Whittingham 1968年毕业后在斯坦福做了几年博后,发现锂离子可以在层状材料TiS2可逆的嵌入析出,适合做电池阴极,在室温下就能工作,重量也轻,引起了很大的反响。1972年,Exxon 把他挖了过去,用TiS2 和 Li金属做电极,开发出世界上第一个锂电池,1976年获得专利。这是一个极大的进步,锂电池轻巧而且高能,移动电子出现曙光。不过这个电池极不实用,价格昂贵,也有很大的安全隐患。Exxon 最终放弃了这个项目。
  
这个时候, Goodenough 老先生出手了,他预感用金属氧化物做阴极,可以解决TiS2的问题,而且电压更高,能量密度更大。在牛津,他找了两博士后,搜寻合适的金属氧化物,能嵌入析出更多的锂离子而保持结构稳定。1980年,他们找到了神奇的LiCoO2,也是层状的,就是下面这个结构。几乎可以肯定,它就在你的手机和电脑里。这一年,老爷子已经58岁,真可谓大器晚成。当然他在此之前,已经在磁性材料领域做出了杰出贡献。电化学当时对他而言,属于玩票性质。

Goodenough这项发现,从实验室到商业市场,还是经过了10余年的时间。1991年,索尼推出了世界第一个商用锂电池,最初是用于相机,慢慢就无所不在了。不过当初谁也没有预料到锂电池有如此大的造化,牛津大学拒绝为此申请专利,想必肠子都悔青了,老爷子在这里面没有捞到半点经济实惠。
  
不过Goodenough并没有止步于此。LiCoO2的层状结构使锂离子输运限于二维平面,因此他和他的博士后们希望寻找新的电极材料,通过锂离子的三维输运,提升电池倍率性能。1982他们就发现了尖晶石结构的LiMn2O4,较LiCoO2更为安全便宜。1986年,Goodenough回到美国,到德克萨斯大学继续从事电池研究。到了1993年,日本电讯(NTT)将Shigeto Osada送到他的实验室,和他的博士后Akshaya Padhi继续寻找更好的尖晶石结构电极。这一搜寻及其艰苦,Co, Mn, V等一系列元素均不理想。最后只剩下Fe和P的组合。Goodenough对这一组合的尖晶石结构持怀疑态度,而Padhi证实了他的猜测,得到了橄榄树结构的LiFePO4,性能超群!继LiCoO2和LiMn2O4之后,Goodenough研究组发现了第三个明星电极。

  
可是,Goodenough不知道的是,Osada已经偷偷把这一结果向NTT汇报,而NTT则迅速开始推进工作,并在1995年11月悄悄地申请了专利。等到1996年Goodenough得知这一消息的时候,非常愤怒:他是一个间谍,老爷子对Padhi吼道,赶紧把你所做的实验都记录下来!随后德克萨斯大学将NTT告上了法庭,价值5亿美金。这样的实验记录对其后的专利大战至关重要。


还嫌不够乱,麻省理工学院材料系的华人教授Yet-Ming Chiang也加入战局,申请了自己的专利,并创办了电池公司A123,发展基于LiFePO4的动力电池。知识产权的三国大战精彩纷呈,到2008年,A123成功游说欧洲法庭取消了Goodenough的专利,LiFePO4技术一下子变得对所有人都免费。比亚迪推出了LiFePO4的电动汽车,更吸引了Warren Buffett花费 2亿3千万美金收购其10%的股份。而A123在2009年上市,融资将近6亿美金。这是Yet-Ming Chiang教授第三个上市公司,MIT的创新能力可见一斑!不过A123在2012年宣布破产!最终,NTT与德州大学庭外和解,向其支付3千万美金以及今后销售的一些利润。
  
不过老爷子的使命尚未结束。自他发现LiCoO2,30多年过去了,锂电池驱动的电动汽车还是难以与内燃机车竞争,可再生能源的电池存储也面临巨大的挑战。这个世界仍然需要下一个超级电池解决这些问题,而Goodenough觉得他还有下一个好的主意,“我要在洗手不干之前解决这些问题。我只有92岁,还有一些时间。”
  

他很喜欢自己说的“爬行乌龟”的比喻,在接受媒体采访时,他还补充道:“这种贯穿一生的爬行有可能带来好处,尤其是在你穿越不同领域,一路收集各种线索的情况下。你得有相当多的经验,才能把不同的想法融汇在一起。


30岁,入行。

58岁,钴酸锂。

75岁,磷酸铁锂。

94岁,全固态电池。


今年他97岁,几乎得到了一个科学家能得到的所有荣誉。但是,古迪纳夫从来没觉得自己已经good enough了,他只是不断收集线索,继续向前。


95岁的古迪纳夫仍然在思考着新的研究课题

来源:网络整理

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