焦聚2019諾貝爾化學獎

2020-12-04 全系列科普

至今世界上最強的電池有多強呢?

9日,瑞典皇家科學院將2019諾貝爾化學獎授予給了他們!來自美國的John B.Goodenough,M.Stanley Whittingham和日本科學家Akira Yoshino三人,以表彰他們對鋰離子電池研發領域做出的貢獻。

這種可充電電池奠定了手機和筆記本電腦等無線電子產品的基礎。它還使無化石燃料的世界成為可能,並可以儲存來自太陽能和風能的大量能量,因為它被用於從電動汽車到可再生能源儲存的幾乎所有領域。毫不誇張地說,這是目前藍星上最強的電池技術!

而其中John B. Goodenough也是位奇人,算是個妙人!他曾經受過數學訓練,教過一段時間化學,是一位好奇的物理學家,也是一位突破性的材料工程師,可以說他很難分類。「我是一個固體科學家,」他說。「我希望化學家們認為我是個化學家,但我擔心他們認為我是物理學家。另一方面,物理學家認為我是化學家。」

眾所周知,化學元素很少會在諾貝爾獎的評定中發揮核心作用,但 2019 年諾貝爾化學獎卻有一個明確的主角——鋰——一種古老的元素,是在宇宙大爆炸後的一分鐘內產生的。直到1817年,瑞典化學家約翰·奧古斯特·阿夫維森(Johan August Arfwedson)和瓊斯·雅各布·貝澤留斯(Jns Jacob Berzelius)從斯德哥爾摩群島的於特島(Ut)上的礦物樣品中提純了鋰,人們才認識它。

貝澤留斯用希臘語中的「石頭」一詞——「 lithos」——來命名這種新元素。從名字上看,鋰的密度似乎很大,但實際上它卻是世界上最輕的固態元素,這就是為什麼我們幾乎很難注意到隨身攜帶的手機。

鋰是金屬。它的最外層只有一個電子,這使得鋰具有很強的給電子能力。鋰失電子時,會形成帶正電且更穩定的鋰離子。

準確地說,兩位瑞典化學家得到的並不是純的金屬鋰,只是以鹽形式存在的鋰離子。金屬鋰引發了許多火災,尤其是在我們將要講述的故事中;鋰是一種不穩定的元素,必須存放在礦物油中,以免與空氣反應。

鋰很活潑,這是它的缺點,同時也是它的優點。

上世紀70年代,M.Stanley Whittingham發現了一種能量豐富的材料,這種由二硫化鈦製成的材料可以嵌入鋰離子,所以可被用作鋰電池中的陰極。

上世紀80年,Goodenough推測,如果用金屬氧化物來替代金屬硫化物製造陰極,電池將具有更大的潛力。經過系統研究,他在當年年證明了嵌入鋰離子的氧化鈷可以產生4伏的電壓,將電池的電壓提高了一倍,從而為生產更高能量密度的電池創造了條件。

1985年,在Goodenough研製出的陰極基礎上,Akira Yoshino開發出了首個接近商用的鋰離子電池。他並未使用活潑的金屬鋰做陽極,而是使用了焦炭,這種碳材料可以像氧化鈷一樣提供容納鋰離子的空間。鋰離子在陰陽極之間運動產生電流。這使得電池的應用變得切實可行。鋰離子電池給人類帶來了非常大的益處,因為它推動了筆記本電腦、行動電話、電動汽車的發展以及太陽能、風能存儲各個領域的發展。

另外,值得一提的是,三位科學家均已70歲以上。其中,1922年出生、現任教於美國德克薩斯大學奧斯汀校區的John B.Goodenough已97歲,打破了諾貝爾獎獲得者的最大年齡紀錄。三人中年齡最小的日本旭化成公司名譽研究員Akira Yoshino今年也已71歲。

今年諾貝爾化學獎獎金共900萬瑞典克朗,將由三名獲獎科學家平分。

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