今年的化学诺奖成果就在你的手上 | 直击诺奖

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2019年诺贝尔化学奖颁给了约翰·B·古迪纳夫(John B. Goodenough)、M·斯坦利·威廷汉(M. Stanley Whittingham)、吉野彰(Akira Yoshino),以表彰他们对发明锂离子电池做出的贡献。这种可充电电池奠定了无线电子产品(如手机与笔记本电脑)的基础。它还给了我们进入一个无化石燃料世界的可能性,因为它能用于各种事物,从给电动汽车供电到从可再生能源中储存能量。

化学元素很少在戏剧中扮演中心角色,但2019年诺贝尔化学奖的故事中有一个明确的主角:锂。锂是一种古老的元素,在宇宙大爆炸发生的头几分钟产生。1817年,瑞典化学家约翰·奥古斯特·阿尔弗德森(Johan August Arfwedson)与永斯·雅各布·贝采利乌斯(J?ns Jacob Berzelius)从斯德哥尔摩群岛上的外岛(Ut?) 矿山矿物样品中纯化出了锂,从此,人类发现了锂的存在。

贝采利乌斯用希腊文中的“石头”(lithos)来给这个新元素命名。这个名字听起来很重,但锂其实是最轻的固体元素,所以我们几乎感觉不到随手携带的手机的重量。

锂是一种金属,外电子层只有一个,这个电子很容易脱离锂,加入另一个原子。当这种情况发生,就形成了带有正电荷并且更稳定的锂离子

准确来说,这几位瑞典化学家并没有发现纯金属锂,而是发现了盐形式的锂离子。纯锂引发了多起火灾警报,尤其是在我们接下来要讲的故事中。锂是一种不稳定的元素,必须要储存在油中,以免与空气发生反应。

锂的缺点——高反应性——也是它的优点。

  • 20世纪70年代初,斯坦利·威廷汉利用锂释放最外层电子的强大驱动力发明了第一个可使用的锂电池。
  • 1980年,古迪纳夫将锂电池的电势提高了一倍,为生产出更强大、更有用的电池创造了合适的条件。
  • 1985年,吉野彰成功地从电池中去除了纯锂,让电池完全使用比纯锂更安全的锂离子。

这令我们能在实际生活中使用锂电池。锂离子电池给人类带来无尽的益处,它推动了笔记本电脑、手机、电动汽车的发展,也令我们能储存由太阳能与风能产生的能量。

现在,我们将时间退回至五十年前,回到锂离子电池故事的开端。

1

20世纪中期,汽车尾气激发了电池研究

20世纪中期,世界上燃油汽车的数量显著增加,汽车排放的废气使大城市的有害雾霾更加严重。再加上人们逐渐认识到石油是一种有限资源,这给汽车制造商和石油公司敲响了警钟。如果企业要生存,他们需要投资寻找新的替代能源以及电动汽车。

电动汽车和替代能源都需要用到电池来储存大量的能量。那时市场上只有两种类型的可充电电池:一种是1859年发明的铅蓄电池(现在仍然被用作燃油汽车的起动电池),另一种是20世纪前半叶发明的镍镉电池。

2

石油公司投资新技术

由于石油枯竭的威胁,石油巨头埃克森决定将其业务多样化。在对一项基础研究的重大投资中,埃克森招募了当时在能源领域中最重要的一些研究人员。投资人承诺,只要不用到石油,研究人员可以自由地做任何他们想做的研究。

斯坦利·威廷汉于1972年加入埃克森。他来自斯坦福大学,在学校时他研究的是“嵌入”现象,即带电离子可以附着到具有原子大小空隙的固体材料当中。当离子嵌入其中时,材料的性质会发生改变。加入埃克森后,斯坦利·惠廷厄姆和他的同事开始研究超导材料,包括可以嵌入离子的二硫化钽。他们在二硫化钽中加入离子,并研究其电导率如何变化。

3

威廷汉发现了一种极具能量密度的材料

科学研究中常有这样的事情,这个实验有了一个意料之外并且有价值的发现。结果表明,钾离子会影响二硫化钽的导电性,当斯坦利·威廷汉开始详细研究这种材料时,他观察到它具有非常高的能量密度。钾离子和二硫化钽之间的相互作用富含能量,当他测量材料的电压时,它有几伏高。这比当时的很多电池更好。斯坦利·威廷汉很快意识到,是时候改变方向,发展新技术,这项技术可以为未来的电动汽车储存能量。然而,钽是比较重的元素,市场不需要更多的重电池——因此他用钛代替了钽,钛具有相似的性质,但轻得多。

M·斯坦利·威廷汉 | Jonathan Cohen / binghamton.edu

负电极上的锂

锂不应该在这个故事中占有一席之地吗?好吧,下面就要轮到它了——作为斯坦利·威廷汉创新电池的负电极,锂不是一个随机的选择。在电池中,电子应该从负极(阳极)流向正极(阴极)。因此,阳极应该包含一种容易释放电子的材料,而在所有元素中,锂是最容易释放电子的物质。

其结果是一种可在室温下工作的可充电锂电池,它具有字面意思的巨大“潜力”(译注:potential也是电势的意思)。斯坦利·威廷汉前往位于纽约的埃克森总部谈论这个项目。会议持续了大约十五分钟,随后管理小组做出了迅速的决定:他们将利用威廷汉的发现开发一种商业上可行的电池。

最初的充电电池电极由固体材料构成,当与电解液发生化学反应时会分解,而这会破坏电池。惠廷汉姆的锂电池优势在于,锂离子储存于阴极二硫化钛材料的间隙中。电池放电时,锂离子从阳极的锂流入阴极的二硫化钛中;电池充电时,锂离子则反向移动

电池爆炸与油价下跌

不幸的是,正要开始制造电池的团队遭受了许多挫折。新的锂电池在重复充电时,锂电池的电极上长出了一些细小的枝晶。当这些枝晶触及到另一个电极时,电池短路并会导致爆炸。消防队只得赶来扑灭一系列火灾,并最终要求实验室赔付用于扑灭锂着火的特殊化学物质。

当阳极含有纯锂的电池充电时,会形成锂的枝晶,它们会使电池短路,导致着火甚至爆炸。

为了使电池更安全,团队在金属锂电极里加入了铝,并改变了电极间的电解质。斯坦利·威廷汉在1976年宣布了他们的发现,这种电池也开始了小规模生产,供应给一个希望用它制造太阳能表的瑞士钟表商。

下一个目标就是将可充电锂电池放大,从而用于给汽车供电。然而,八十年代初油价大幅下滑,埃克森美孚公司需要削减开支。研发工作被中止了,威廷汉的电池技术被授权给了三家世界不同地方的不同公司。

不过这并不意味着电池的发展停止了。埃克森美孚放弃之时,约翰·古迪纳夫接棒了。

石油危机使古迪纳夫对电池起了兴趣

儿时古迪纳夫在学习阅读上有严重的困难,这也是他投身于数学并在二战后最终投入物理的原因之一。他在麻省理工学院的林肯实验室工作了许多年,在那里,他为随机存取存储器(RAM)的发展做出了贡献。随机存储器至今仍是计算机的一个基本部件。

约翰·古迪纳夫像其他许多七十年代的人一样,受石油危机影响并想要致力于发展其他能源。但是林肯实验室受美国空军资助,不是所有类型的研究都被允许。所以当他获得了一个英国牛津大学无机化学教授职位时,他抓住机会进入能源研究这一重要领域。

约翰·B·古迪纳夫 | DARREN CARROLL

约翰?B?古迪纳夫知道威廷汉的革命性电池,但是关于物质内部的专业知识告诉他,如果使用金属氧化物而不是金属硫化物制造电池的阴极,则能产生更大的电势。然后,他的研究小组中的一些人就被要求去寻找一种金属氧化物。这种金属氧化物在被锂离子嵌入时要产生高电压,而当离子被去除时对材料也不会有不利的影响。

这种系统性的探索工作获得的成功超出了古迪纳夫的预期。威廷汉的电池可以产生超过2伏的电压,但古迪纳夫发现,如果电池的阴极材料使用钴酸锂,电池可产生约4伏的电压,电力几乎翻了倍。

而实现这一成就的关键因素在于,古迪纳夫意识到电池不必再像以前那样在充好电的状态下进行加工和制造。相反,它们可以之后再进行充电。在1980年,他发表了这种新型阴极材料的相关发现,它重量轻,能制备出强大的高容量电池。而这是迈向“无线革命”决定性的一步。

古迪纳夫开始在锂电池的阴极使用钴酸锂,这几乎使电池的电势翻倍,使电池变得强力很多。

西方随着石油价格的下降,对替代能源的相关科技领域及开发电动汽车的投资兴趣也变淡了。日本却不同,电子公司迫切地希望能获得轻型、可充电的电池,可以为创新型电子产品供电,例如摄像机、无绳电话和电脑。一个看到这种需求的人就是来自旭化成公司的吉野彰,他说:“我只是嗅出了一点趋势的发展方向。你可以说,我有良好的嗅觉。”

吉野:第一个商业化的锂离子电池

吉野彰决定开发一种功能性充电电池的时候,他以古迪纳夫的锂钴氧化物为阴极,尝试使用各种碳基材料作为阳极。研究者此前表明,锂离子能被嵌入石墨分子中,但石墨会被电池电解液破坏。吉野彰的尤里卡时刻最终到来:他用了石油焦(石油工业的副产物)。当他用电子给石油焦充电时,锂离子被吸引进了材料中。随后他打开电池,电子和锂离子流向电势更高的钴氧化物阴极。

吉野彰 | epo.org

吉野彰研发的电池稳定、轻量,具有高容量,能产生相当高的4伏电压。锂离子电池最大的优势是离子嵌入在电极当中。其他电池大多基于涉及电极的化学反应,电极会缓慢但必然地在反应中发生变化。而锂离子电池被充电和使用时,离子在电极间流动但不与周围环境发生反应。这意味着这种电池有更长的寿命,在性能衰退前能够充电数百次。

吉野彰开发了第一种有商业价值的锂离子电池。他在电池的阴极使用古迪纳夫的钴酸锂,阳极使用一种碳材料——石油焦,后者也可以嵌入锂离子。这种电池的性能并不基于任何破坏电池结构的化学反应,只有锂离子在两个电极之间来回移动,这让电池拥有了很长的使用寿命。

另一个巨大的进步在于,这种电池里没有纯锂。1986年,吉野彰测试了这种电池的安全性。他谨慎行事,使用一种为测试爆炸设备而设计的设施。他把一大块铁丢在电池上,什么也没有发生。不过,在用含有纯锂的电池进行重复实验时,这导致了一场剧烈爆炸。

通过安全测试是电池未来发展的基础。吉野彰说,这是“锂离子电池诞生之刻。”

锂离子电池——无化石燃料社会的必需品

1991年,日本一家大型电子公司开始销售第一块锂离子电池,从而引发了电子行业的一场革命。移动电话更为小巧,电脑开始可以便携,MP3播放器和平板电脑也随之被研发出来。

随后,世界各地的研究人员在元素周期表中寻找更好的电池材料,但还没有人成功发明出能超越锂离子电池高容量和高电压的产品。当然,锂离子电池也在进行改变和进化;其中尤为重要的是,约翰·古迪纳夫采用磷酸锂铁替代了钴氧化物,使电池变得更为环保。

与几乎所有其他产品一样,锂离子电池的生产会对环境有影响,但它同时带来了巨大的环境收益。这种电池让清洁能源技术和电动汽车得以发展,从而有助于减少温室气体和微粒的排放。

通过他们的工作,约翰·古迪纳夫、斯坦利·威廷汉与吉野彰为建立一个无化石燃料的无线社会创造了良好的条件,给人类带来了最大的利益。

一个AI

本篇诺奖报道由AI从锂离子电池设备上发出,读者可在锂离子电池驱动的便携式智能无绳电话上查看。

翻译:Amaranth,木易杨杨,黎小球,odette,Amber,darla,antares,迦畞,李小葵

校对:窗敲雨

编译来源:诺贝尔奖官方

如有需要,请联系sns@guokr.com

果壳

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