2019年諾貝爾化學獎給了鋰電池 分獎金的為何是他們？(圖)

2019年10月9日，瑞典皇家科學院在斯德摩爾摩宣布，將本年度的諾貝爾化學獎授予美國固體物理學家約翰·巴尼斯特·古迪納夫（John
B. Goodenough），英國化學家斯坦利·威廷漢（Stanley Whittingham）和日本化學家吉野彰（Akira
Yoshino），以表彰他們在開發鋰離子電池方麵作出的傑出貢獻，三位科學家將平分諾貝爾化學獎獎金。　

△2019年諾貝爾化學獎獲得者（圖片來源：https://www.nobelprize.org）
 

　　為什麽是鋰電池？

　　不同於前幾年諾貝爾化學獎頻頻頒給大熱的生物化學領域，今年的諾貝爾化獎授予了鋰離子電池開發的三位科學家。那麽，鋰離子電池究竟有何過人之處呢？回顧過去六七十年間的科技飛躍，有兩項發明對經濟和社會發展影響深遠。

　　第一項重大發明是於1947年誕生於貝爾實驗室的晶體管。它的出現改變了電子產品的麵貌，奠定了全球經濟和現代文明的基礎。而第二項重大的發明當屬鋰離子電池了。1991年索尼公司開始生產出了商業化的鋰離子電池，由於它的普及，隨後的電子產品逐漸拜別了依賴晶體管的笨重設備。與其他商業化的可充電電池比，鋰離子電池由於具有能量密度高、循環壽命長、工作溫度範圍寬和安全高等優點，成為各國科學家努力研究的新方向。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，鋰離子電池無處不在。可以說如果沒有鋰離子電池，就不會有如今的便攜式穿戴設備。因此，鋰離子電池還曾和晶體管一起被視作電子工業中最偉大的發明，而晶體管的發明人約翰·巴丁（John
Bardeen）早在1956年就因晶體管效應而榮獲諾貝爾物理學獎。

△沒有鋰離子電池，就沒有如今的便攜式設備（圖片來源：https://www.pexels.com）
 

　　鋰離子電池為什麽能這麽優秀？

　　鋰離子電池是一種二次電池。所謂的二次電池，是區別於一次電池，即原電池（放電後不能再充電使其複原的電池），二次電池是可充電電池。

　　鋰離子電池主要由正極、負極、電解液、隔膜、外電路等部分組成。其工作原理是依靠鋰離子在正極和負極之間的移動來工作。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，電子由負極經外電路轉移至正極；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複充放電的鋰離子電池中，正極是鈷酸鋰材料，負極是碳材料。

　　1912年，鋰金屬電池最早由吉爾伯特·牛頓·路易士（Gilbert N.
Lewis）提出並研究，但由於金屬鋰的化學性質活潑，其加工、保存和使用對環境要求非常高，使得鋰電池在很長一段時間內都沒有得到應用。20世紀70年代，美國爆發石油危機，然而風能、太陽能等可再生能源存在間歇性，急需可充電電池儲存能源。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，製成了首個新型鋰電池。鋰離子電池是由鋰電池發展而來的，鋰離子電池的概念始於1972年米歇爾阿曼德等提出的“搖椅式”電池。索尼公司將鋰離子電池在1991年開始商業化生產，標誌著鋰離子電池時代的到來。經過世界各國科學家的努力，鋰離子電池正在向更為高效安全的方向發展。

　　為什麽是這三位科學家獲獎？

　　世界上並不缺乏研究鋰離子電池的科學家，那麽為什麽此次獲獎的偏偏是John B. Goodenough， Stanley
Whittingham和Akira Yoshino呢？

　　商業化正極材料奠基人—John B.
Goodenough

　　約翰·巴尼斯特·古迪納夫（John B.
Goodenough），1922年出生於德國，目前為美國德州大學奧斯汀分校機械工程係教授，著名固體物理學家，是鈷酸鋰、錳酸鋰和磷酸鐵鋰正極材料的發明人，鋰離子電池的奠基人之一，被譽為“鋰離子電池之父”。1979年Goodenough發現，將鈷酸鋰（LiCoO2）作為電池的陰極，將除鋰之外的金屬材料作為陽極，能夠實現高密度的能量儲存。這一發現為鋰離子電池的發展鋪平了道路，促成了可充電鋰離子電池的廣泛應用。1983年，Goodenough、M.Thackeray等人發現錳尖晶石是優良的電池陽極材料。錳尖晶石具有低價、穩定和優良的導電、導鋰性能。其分解溫度高，且氧化性遠低於鈷酸鋰，即使出現短路、過充電，也能夠避免燃燒、爆炸的危險。1989年，Goodenough、A.Manthiram發現采用聚電解質（例如，硫酸鹽）的陽極將產生更高的電壓。此外，他還與日本學者金森順次郎共同提出“古迪納夫-金森法則”（Goodenough-Kanamori
rules）。索尼在1991年基於Goodenough理論製作出了世界上第一款商用鋰電池，從此手機、照相機、手持攝像機乃至電動汽車等領域各自步入了便攜式新能源時代。值得一提的是，97歲高齡的Goodenough老爺子打破了諾獎最高齡得獎記錄，在此之前，這個記錄屬於96歲高齡獲得2018年諾貝爾物理學獎的阿瑟·阿什金。

　　嵌入原理的提出者，解決鋰離子電池安全性問題—Stanley
Whittingham

　　斯坦利·威廷漢（Stanley
Whittingham），1941年出生於英國，英裔美國化學家，現任紐約州立大學石溪分校化學係傑出教授，紐約州立大學賓厄姆頓分校化學教授、材料研究和材料科學與工程研究所主任、紐約電池和儲能聯合會（NYBEST）董事會副主席。2015年，Whittingham教授因在鋰離子電池領域的開創性研究獲得科睿維安化學領域引文桂冠獎。2018年因將插層化學應用在儲能材料上的開創性貢獻，當選美國國家工程院院士。

　　鋰離子電池工作時發生的電化學反應容易使它爆炸。當過充時，電池可能會自燃。即使解決了有關爆炸的安全性問題，電池在反複工作過程中也會逐漸衰減。為了解決安全性問題，Whittingham教授提出了一種新的電池工作原理-嵌入，奠定了新式鋰離子電池成功商業化的基礎。在20世紀70年代，Whittingham教授就職於美國石油巨頭Exxon公司並開發了第一代鋰離子電池：以TiS2為正極，Li-Al合金為負極的基於鋰離子嵌入式反應的二次電池。近幾年，Whittingham課題組重點在研究一種新的鋰電正極材料VOPO4，這種材料和已經產業化的LiFePO4類似，都是多陰離子過渡態金屬化合物，比起傳統的氧化物，它們具有優異的安全性能，價格也比使用Co的LiCoO2，NMC，NCA要便宜很多。

　　製備出第一個可充電鋰離子電池原型—Yoshino
Akira

　　吉野彰（Yoshino
Akira），1948年出生於日本大阪，自2015年至今擔任旭化成（株）吉野研究室室長，日本化學家，現代鋰離子電池（LIB）的發明者，曾獲得工程學界最高榮譽全球能源獎與查爾斯·斯塔克·德雷珀獎。1983年，吉野運用鈷酸鋰（LiCoO2；鋰和氧化鈷的化合物，由約翰·巴尼斯特·古迪納夫、水島公一等人發現）開發陰極，運用聚乙炔開發陽極，在1983年製備出世界第一個可充電鋰離子電池的原型。並且克服諸多技術問題，徹底消除金屬鋰，在1985年確立了可充電含鋰堿性鋰離子電池（LIB）的基本概念，取得日本注冊專利。吉野彰的鋰電池突破了以往鎳氫電池的技術限製，開啟了行動電子設備的革命。由於極高的安全性、穩定的能量輸出以及合理的價格，鋰離子電池最終於在1991年由SONY首次商業化。2014年，美國國家工程院公認John
B. Goodenough、西義郎、Rachid Yazami和吉野彰為現代鋰離子電池所做出了先驅性和領先性的基礎工作。

　　正是由於這三位科學家和幕後的來自世界各國的科學家的不斷努力，現在鋰離子電池的產業已經接近每年幾十億美元，為人類的日常生活提供諸多動力。然而，考慮到未來電動汽車的浪潮，電池製造商和科學家們將麵臨更為嚴峻的考驗，以擴大車輛的續航裏程和提高電池的耐久性以便能同時承受嚴酷的持續驅動和短程旅行。最後，再次向這三位獲獎科學家表示感謝和祝賀！

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