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中国城线上娱乐 诺贝尔化学奖与我们有多大关系?当拿起手机时,我们要感谢这3个人

中国城线上娱乐,10月9日,2019年诺贝尔化学奖授予约翰·b·古迪纳夫(john b.goodenough)、m·斯坦利·威廷汉(m. stanley whittingham )、吉野彰(akira yoshino),以表彰他们在锂离子电池领域领域做出的贡献。

手机、相机、电脑,我们身边熟悉的物品之所以是现在的模样,都离不开锂电池的功劳。举个例子来讲,20世纪50年代的一部手机,重量要达到80磅,大概72.5斤左右,相当于一个七八岁儿童的重量。这其中很大的重量来自手机电池。

自上世纪70年代诞生以来,锂电池凭借体积更小,能量密度更大,可再充电等等特点一直在能量存储技术中占据绝对地位。所以,当我们轻松不费劲地拿起最熟悉的手机的时候,要记得感谢上面三位科学家。

锂电池的出现并非偶然。一直到20世纪中期,石油依然是人类主要的驱动能源。但随着燃油汽车数量的显著增加,石油资源的有限性受到关注,汽车排放的废气也已经成为急需解决的问题。一些企业的先行者们开始意识到如果企业要生存,必须要寻找新的能源。

最先行动起来的是石油巨头埃克森(exxon),埃克森在原来的主业之外,开始投入大量资金进行基础研究,公司招募了一批当时在能源领域最重要的一些研究人员,给予他们充分的自由做想做的事情。

斯坦利·威廷汉就是众多研究成员中的一个。1972年,他加入埃克森公司。斯坦利·威廷汉来自斯坦福大学,研究方向是固体材料。一开始斯坦利·威廷汉专注于研究超级导体材料,希望以此发现新的能源物质。他们在二硫化钽中加入离子,并研究其电导率会受何影响。他们在一次实验中发现钾离子会影响了二硫化钽的电导率,两者相互作用之后能够产生惊人的能量。

那时候,市场上已经有可充电电池,但因为电池的电极中含有固体物质,当它们与电解液发生化学反应时就会分解。这一过程会损毁电池。斯坦利·威廷汉则发现,他们发现的这种材料电压比当时的电池要好很多。他经过多年的实验和研究,最终采用用硫化钛锂作为锂电池的阴极材料,金属锂作为阳极材料,制成了一款可在室温下工作的可充电锂电池。

图源:the royal swedish academy of sciences

不过,当生产计划开始实施的时候,斯坦利·威廷汉的小组开始遇到困难。他们发现,随着电池的反复充电,电池会出现短路并一次次引发爆炸。这带来的直接后果是消防队一次次出动到他们的实验室扑灭火灾。斯坦利·威廷汉等人还被告知实验室如果再发生爆炸就要支付扑灭火灾所用化学物质的钱。

斯坦利·威廷汉等人在实验后发现,锂电池使用的电极材料金属锂,是世间最活泼的元素之一,非常容易燃烧。这样的特性使得生产锂电池的技术要求非常高。斯坦利·威廷汉只得在金属锂电极中加入了铝,两个电极之间的电解液也进行了更换。斯坦利·威廷汉等人随后开始为一家瑞士钟表商进行小规模生产,他们下一步的目标是扩充电池的容量,以便使其能够为汽车充电。不过到了1980年代初,石油价格显著下降,埃克森公司需要削减成本,相关的研究也就停了下来。

这个时候,古迪纳夫已经在英国牛津大学担任无机化学教授。在此之前,他在美国麻省理工学院林肯实验室工作多年。由于林肯实验室是受空军资助,不允许做替代能源方面的研究,古迪纳夫这才跳了槽。

此时古迪纳夫已经了解斯坦利·威廷汉发明的新电池技术。不过,他的专业知识让他开始往前迈进一大步。他想,如果用金属氧化物做电池的阴极。就可以提高阴极的电势。在随后的一段时间里,他的研究组都在寻找合适的金属氧化物,直到发现了钴酸锂材料——将钴酸锂材料用在电池的阴极,电池产生的电压将可以提升两倍。另外一项关键性发现是,电池并不需要保持在充电状态下才能生产,但此前电池都是在这种状态下生产出来的。1980年,古迪纳夫对外公布了他们发现的新的阴极材料,分量轻,生产出的电池却性能更加强劲。这被视为人类进入移动时代的关键一步。这时候他已经58岁。

事实上,古迪纳夫关于锂电池的研究并没有停止。一直到90岁的时候,他还在致力于解决锂电池的枝晶问题。此时,锂电池早已成为各大电子消费品的主要组成,但锂枝晶问题一直是锂电产业面临的幽灵问题。枝晶是由于动力学因素锂金属表面形成的“小毛刺”,这些小刺会随着电池的使用逐渐长大,最终会刺破电池正负极之间的隔膜,引发短路,最终导致电池自燃。古迪纳夫开始投入到全固态电池研究中去——全固态电池将原先的液态有机电解池换成一种全新的固态电解质,不仅能能防止枝晶问题的产生,而且可以保持电池的储电性能。

与斯坦利·威廷汉、古迪纳夫共分诺奖奖金的是日本的化学家吉野彰。吉野彰是旭化成研究员、名古屋明城大学教授。他的贡献是实现了把纯粹的锂从电池中剥离出来,这使得锂电池变得更加安全、更适合日常生活中的各种应用。完全基于锂离子的锂电池,寿命也变得更长,在充电数百次后性能才会下降。1991年,一家大型日本企业率先开始销售锂离子电池,这在电子业引发了一场革命。自此之后,我们的手机体积不断缩小,便携电脑的出现也方便了不少。

其实,从锂电池获得诺奖这件事情,我们会发现,诺贝尔奖看起来“高艰深”,但其研究成果已经遍布在我们的生活中。诺奖离我们并不远,比如说2014年的诺贝尔物理学奖是为了表彰科学家开发了蓝光led技术——采用蓝光led技术的产品进入了千家万户,为我们照明;它们又存在我们的手机和相机里。还有1991年的诺贝尔化学奖是颁给了核磁共振成像,我们的心脏、大脑、骨骼的各种诊断都是依赖于这种技术的出现。

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