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3位鋰離子電池科學家獲諾獎
2019-10-11 | 編輯: | 【 】| | 供稿部門:規劃戰略與信息中心
    

  2019年諾貝爾化學獎揭曉,授予發明鋰離子電池方面做出貢獻的3位科學家: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)。三位科學家將平分諾獎獎金。

 

  約翰·巴尼斯特·古迪納夫(John B. Goodenough),美國固體物理學家,因為發明可充電鋰離子電池而聞名于世。1979年古迪納夫發現,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,古迪納夫、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,且氧化性遠低于鈷酸鋰,即使出現短路、過充電,也能夠避免了燃燒、爆炸的危險。1989年,古迪納夫、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,原因是聚電解質的電磁感應效應。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)。

  斯坦利·威廷漢(Stanley Whittingham),英國化學家,現任紐約州立大學石溪分校化學系杰出教授,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,威廷漢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。

  吉野彰(Yoshino Akira),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·B·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年制出世界第一個可充電鋰離子電池的原型。1985年克服諸多技術問題,徹底消除金屬鋰,確立了可充電含鋰堿性鋰離子電池(LIB)的基本概念,并取得日本注冊專利。吉野彰的鋰電池突破以往鎳氫電池的技術限制,開啟了行動電子設備的革命。由于極高的安全性、穩定的能量輸出以及合理的價格,鋰離子電池最終于1991年由SONY首次商業化。2014年,美國國家工程院公認約翰·B·古迪納夫、西義郎、Rachid Yazami和吉野彰為現代鋰離子電池所做的先驅性和領先性的基礎工作。

    特別值得一提的是,近幾年的化學獎頒布期間,有一位科學家受到了廣泛的關注,他就是現已97歲的“鋰電池之父”——John B. Goodenough。

  許多人都期待這位在推動電池發展上有著重要貢獻且年事已高的科學家能夠得到諾獎的青睞,如若Goodenough成為獲獎者,他也將打破現有的歷史記錄,成為最高齡的一屆得主。該記錄由去年的諾貝爾物理學獎得主阿瑟·阿什金保持,他在去年獲獎時已經96歲。現在,古迪納夫終于得到了諾獎的認可! 

▲ John B. Goodenough 

得克薩斯大學奧斯汀分校 

  因其開發的鋰離子可充電電池以及發現古迪納夫-金森法則用于確定超交換(superexchange)材料磁性符號而受到廣泛關注。他是著名固體物理學家,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,通過研究化學、結構以及固體電子/離子性質之間的關系來設計新材料解決材料科學問題。 

  他在 1922 年 7 月 25 日出生于德國,1944 年在耶魯大學獲得數學學士學位,在二戰后完成博士學位,1952 年畢業于芝加哥大學。 

  他早期在麻省理工學院林肯實驗室進行隨機存取存儲器(RAM)開發研究。20 世紀 70 年代末到 80 年代初擔任牛津大學無機化學實驗室主任,并開發出鋰離子可充電電池的首選陰極材料鈷酸鋰。自 1986 年以來,Goodenough 一直擔任美國得克薩斯大學奧斯汀分校機械工程和機電工程教授,并繼續研究離子導電固體和電化學裝置。 

  重大榮譽:Goodenough 教授是美國國家工程院、美國國家科學院、法國科學院和西班牙皇家學會的院士成員。Goodenough 還是 2009 年恩里科·費米獎(Enrico Fermi Award)的共同獲得者。在 2010 年當選為英國皇家學會外籍院士。在 2013 年,Goodenough 獲得美國國家科學獎章。 

   97歲“鋰電池之父”的傳奇人生,一手締造便攜能源帝國 

  如果不是相關領域的人,科學家的名字往往沒那么好記住,但是 John B. Goodenough 是個例外:他的姓氏 Goodenough 好見但直白,這就是一個把自己的人生和人類的命運都弄得“足夠好”的人。 

  Goodenough 是公認的“鋰電池之父”,正是他所領導的創新使鋰電池邁向體積更小、容積更大、使用方式更穩定的商業化過程,同時開啟了電子設備便攜化的革命。 

  鋰電池作為最主要的便攜式能量源,影響著我們生活的方方面面。如果沒有鋰電池,就不會有如今的便攜式穿戴設備。鋰電池產業已經接近年產幾十億美元,為人類的日常活動提供動力。鋰電池還曾和晶體管一起被視作電子工業中最偉大的發明,而晶體管的發明人巴丁已經榮獲諾貝爾獎。 

  索尼在 1991 年采用 Goodenough 理論后,制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。 

  早期的鋰電池用金屬鋰作為電極材料,在電池使用過程中極易發生燃燒和爆炸,因此無法被廣泛使用。為解決這一問題,Goodenough 提出鋰離子嵌入、脫出的工作機制,以鈷酸鋰、錳酸鋰和磷酸鐵鋰替代金屬鋰作為穩定的電極材料,既解決了電池的安全性問題,又降低了電池的制造成本,實現了鋰離子電池技術的革命性突破,極大地推動了這一技術其他領域的廣泛應用。 

  作出這樣的貢獻,他的一生也是一部傳奇。他畢生都在為讓人類擺脫化石燃料而奮斗,但在取得了這些改變了人類進程的“足夠好”的研究成果之前,他自己的人生并不夠好。 

  1946 年,23 歲的退伍士兵 Goodenough 帶著科研夢想進入了芝加哥大學,但是在那里一位教授告訴他,他的年齡太大了,很難在這一行取得成功。這位教授說的其實沒錯,因為 7 年后 Goodenough 博士畢業,初入科研時已經 30 歲了,而 30-40 歲應當是一個正常學者的科研巔峰時期,他至少落后了 3 年。但是年輕氣盛的 Goodenough 并沒有聽從這位教授的建議。 

  制作電池需要選擇合適的電極材料和電解質材料,以提高電池容量和充放電速度,60 年來不可充電的鋅碳電池一直占據著消費電池的主要市場。1976 年,53 歲的Goodenough 進入牛津大學教授化學,同年英國化學家 Stan Whittingham 宣布了他在鋰電池方面取得的重大突破。Whittingham 的發現雖然是電池產業的一次飛躍,但是他的鋰電池卻在過充的時候極易發生爆炸,依然不可商用。Goodenough 認為自己可以改善這個缺點。 

  1980 年,Goodenough 抵達牛津四年后,他終于采用鈷酸鋰獲得突破。新電池擁有更小的體積,更大的容量和更加穩定的使用方式。 

  如今,Goodenough 已經 97 歲高齡,還依然每天往返于實驗室,奮斗在科研第一線。90 多歲的高齡時,他周一到周五每天早上七點都會在辦公室開始工作,周六周日再在家工作一天半。去年他和他的團隊還在固態電池上取得了新的重要進展。他認為,他還需要最后一個重大發明才能無愧于自己——制造出可以使電動汽車代替汽油車的高容量電池。 

  這些年來,讓人多少有些惋惜的是,他年年都是諾貝爾化學獎的“陪跑者”。 

  Goodenough 的傳奇人生似乎并沒有影響到諾貝爾委員會的評價。每年Goodenough 都是諾貝爾化學獎的熱門候選人,但是他依舊年年陪跑,堪稱化學界的“村上春樹”。甚至在 2017 年,一封名為“Open Letter:John Goodenough Deserves A Nobel Prize”公開在 CleanTechnica 網站上,希望諾貝爾委員會能夠授予 Goodenough 諾貝爾化學獎。這項很多人參與的請愿運動不出意外地沒有回音。 

  而鋰電池領域距離上一次突破,已經 20 多年了。這期間無數研究人員奮力研發著新電池,他認為自己只是這個隊伍中的普通一員。 

  正如 Goodenough 在其 92 歲的時候曾說,我才 92 歲,我的人生長著呢!  

 

▲ 2013年,古迪納夫獲得美國國家科學獎章(圖片來源:Alcalde) 

 

  編輯:規劃戰略與信息中心 圖書館 

  信息來源:https://mp.weixin.qq.com/s/vgcCmYTreVgVAgHx09HRNA

                            https://mp.weixin.qq.com/s/7jyFCQHp9ZUZF8a-fo97YQ

 

 
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