在历届诺贝尔奖中,2019诺贝尔化学奖背后的科学对生活影响最广泛
栏目:行业新闻 发布时间:2020-04-13 10:56

虽然,诺贝尔奖最初是为了表彰对人类最有益的贡献而设立的,但并非每年的诺贝尔奖得主的发现,对我们的生活产生如此广泛的影响。从这个角度来看:前些天,大多数人阅读关于诺贝尔化学奖的新闻,都是使用一种直接受益于这项研究的设备。

对于许多人来说,这似乎是一个姗姗来迟的认可,今年的诺贝尔化学奖项颁发给了三位科学家,以表彰他们在开发锂离子电池方面所做的工作;这些电池为我们的手机、笔记本电脑、电动汽车等提供能源。

美国德克萨斯大学奥斯汀分校的约翰·古迪纳夫(John B.Goodenough),宾汉顿大学的斯坦利·惠廷厄姆(M.Stanley Whittingham),美国纽约州立大学和日本东京的朝日Kasei公司的吉野彰(Akira Yoshino),每人分享三分之一的奖金,但是什么让这些电池如此特别,它们是如何工作的?

图:锂是周期表中的第三个元素,也是最轻的金属。通过在最外层轨道失去电子,锂原子就变成了带正电荷的锂离子。正是这些离子的运动,使锂离子电池能提供源源不断的电流。在节假日,我们在家中一起跟孩子们玩的玩具的动力都来自于碱性电池或锂电池。那么,碱性电池与锂电池有什么样的区别呢?从根本上说,这些所谓的碱性电池,由于其氢氧化钾含量,具有与这些诺贝尔奖得主锂离子电池相似的特点;它们都有两个电极(一个锌阳极作为负极,一个锰氧化物阴极作为正极),由电解液隔开。

然而,在普通碱性电池中发生的反应是无法逆转的,因此它们无法再充电,这与锂离子电池不同。它们的电压也有很大的差别,也就是电极之间的电荷差别,碱性电池的电压比锂离子的电压高1.5伏。电压越高,电荷区域之间的电动势越大,因此当电路闭合时,电子的流动越快,或电流越大,这在对能量要求较高的应用中非常有利。

在20世纪70年代,今天的诺贝尔奖科学家们利用他们的发现和掌握的技术,使锂电池得到了更好的发展。当时惠廷厄姆用层状材料二硫化钛制造了一种新型阴极,这种材料的层堆积起来有点像将托盘返回咖啡馆清理区。在这些层中,可以保留锂离子,就像将丢弃咖啡杯回收清洗并再次使用一样。

惠廷厄姆制造的相应阳极含有一些锂金属,正如你从高中化学实验中所记得的那样,该锂金属非常活泼。尽管该电池的电势差为2 V,比碱性电池高出三分之一,但锂的爆炸性使其无法在许多应用中使用。金属锂还倾向于生长针状晶须或齿状晶体,随着时间的推移,它们可能会桥接两个电极之间的间隙,从而导致电池短路。

作为一个将某人的潜在失败用作成功垫脚石的完美例子,古迪纳夫的电化学计算让他思考,使用金属氧化物代替二硫化钛阴极是否会导致两个电极之间的电位差更大。在惠廷厄姆开创性的工作十年后,古迪纳夫取得了巨大的进步。他通过使用钴氧化物作为层状材料安全地容纳锂离子,他将电池的电位差翻了一番,达到了惊人的4V。

吉野彰跨越科学与工程之间的桥梁,解决了在阳极中使用高活性锂的潜在问题。他用石油焦炭代替了这种材料,这是他一直在研究的材料,并且发现其结构中具有天然存在的层,并且具有足够高的稳定性,可以在这种电池所需的条件下工作。这些层也可以容纳锂离子,就像电池另一侧相应的钴氧化物阴极一样。为此,1985年他制造了第一个安全的锂离子电池。1991年,这些电池开始商业销售,开创了需要大量能源但又具有一定程度的便携性的技术应用的新纪元。以前的电池大而重,容易被损坏,且存在爆炸风险,便携式锂电池不仅携带方便,且安全性能高,不易损坏,且大大降低了爆炸风险。

图:正如我们今天所知,2019年诺贝尔化学奖得主在锂离子电池的发展中都发挥了重要作用。惠廷厄姆最初的概念是由古迪纳夫改进阴极而进一步发展起来的。普通电池依靠可逆的化学反应,随着时间的流逝,它们的容量会迅速下降。 在这种情况下,锂离子电池的充放电循环仅取决于这些锂离子从一个电极到另一个电极再返回的运动。系统几乎没有退化,因此在每个充电和放电周期中,性能损失很小。层状电极通过在每个电池中填充高浓度的锂离子来实现高能量密度。这些电池也是用轻质材料制成的。

此外,体积小且重量轻的大容量锂电池意味可以更长时间为一个耗电的物体供电,让我们所有人都可以随身携带功能异常强大的电脑,口袋里携带智能触摸式彩色屏的手机,随时可以观看视频,随时可以用手机进行高清晰自拍,甚至如果我们愿意,可以与朋友或客户进行视频电话。

用这些电池供电的不仅仅是手机和笔记本电脑。电动汽车配备了最新的锂离子电池,这种电池在较低的材料密度的电池中可以保持较长的充电时间,这意味着我们可以在两次充电之间行驶更长的时间,从而使电动汽车成为污染严重的汽油发动机汽车的真正可行替代品。它是清洁、可再生、可持续的能源及其易于充电和放电的供电接口,这使得锂电池在我们清洁能源的未来有了稳固的地位。

古迪纳夫,惠廷厄姆和吉野彰成为第25个分享诺贝尔化学奖的三人组,这是科学家发现他人工作潜在的缺陷,并加以改进,以创造真正具有突破性东西的完美例子。他们也成为第176、177和178位诺贝尔化学奖获得者。虽然这些奖项最初是为了表彰获奖前一年在研究方面取得的最大成就而设立的,但总体而言,这一趋势已经转变为现在承认历史研究,这些研究对我们今天所知的生活产生了很大影响。当今,大多数前沿研究都是由大型国际合作机构开展,这些合作机构由不同的研究人员组成。

鉴于诺贝尔奖最多只能授予三个人,因此有趣的是,这一规则是否会随着时间的推移而发生变化,以反映现代科学突破的开放性,包容性和协作性。也许我们甚至会看到有史以来第六位诺贝尔化学奖得主将是一位女性科学家。我毫不怀疑,这些优秀科学家的研究将激励许多未来的发现,甚至可能是一些未来的诺贝尔奖获得者。