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诺贝尔化学奖小传:马斯克最该感谢的3个人,他们扭转了全人类科技树

作者:admin 发布时间:2019-11-08 19:27:04 浏览次数:264
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2019年10月9日,瑞典皇家科学院宣告,将2019年诺贝尔化学奖颁发美国科学家约翰古迪纳夫(John Goodenough)、英国科学家斯坦利惠廷厄姆(Stanley Whittingham)和日本科学家吉野彰(Akira Yoshino)。

他们3人获奖的原因,则是他们为锂离子电池开展作出的卓越奉献。

或许在一些普通人看来,普普通通、身边顺手可见的锂电池凭什么能拿到科学家最顶尖的大奖?但在专业人士眼中,锂离子电池研讨对人类社会的奉献,怎么吹捧都不会夸大。

曩昔数十年数码科技、互联网的大开展,人手一台手机、平板、笔记本电脑、数码相机,都依托于锂电池技能的开展与老练。现在炒作得十分炽热的电动轿车,正是这一产品的最大受益者。

不过少有人知道,电动轿车实践上是一种被“筛选”的产品。假如不是古迪纳夫、惠廷厄姆、吉野彰以3人之力扭转了科技树,人类社会的前史很可能会和特斯拉坐失良机。

尽管现在人们都将的德国人卡尔本茨(Karl Benz)创造第一辆单缸发动机三轮轿车的日子——1886年1月29日记作轿车的诞生日,但实践上在他之前,人类的第1辆轿车早在1881年就呈现了,而这辆车的供能,选用的是法国科学家普兰特(G.Plante)1859年创造的铅酸电池。

也便是说,国际上的第1辆轿车,实践上便是电动轿车,并且从今往后挨近半个世纪中,电动轿车凭仗其清洁、安静、舒适且易控制的“贵族范”,一直是能够和燃油车平起平坐的存在。直到19世纪20年代,电动轿车仍占有轿车商场半壁河山。

但是跟着石油大开发、内燃机技能日新月异,电动轿车简直在一会儿就被筛选了。通常情况下,一项技能路途被筛选后,很可能就不会再有出头之日了。但在3位诺奖取得者的尽力下,电动轿车在1个世纪后迎来了“第二春”。

电动轿车在上世纪20年代被筛选的原因之一,便是其供电电池的能量密度实在太低了,从下面这张图能够看到,其时盛行的铅酸电池能量密度只需锂离子电池的1/4。

原因很简单,咱们日子中所见到的绝大部分燃料与电池,这类能量载体,涉及到化学主要是氧化复原反响。能量载体们涉及到的详细化学进程千变万化,但总能归纳到一个氧化复原反响,本质便是电子从复原剂到氧化剂的搬运。

初中化学告知咱们,在一个原子中,只需外层电子才会参加运动做功,里边几层的电子和与之对应的质子光占地方和分量,基本不参加化学反响,天然也不会搬运。

在铅酸电池中,铅原子在元素周期表第6行,换言之,便是有5层只占分量不干活的电子,能量密度天然很难提上来。而镍在第4行,也有3层不干活的电子,所以后来的镍镉电池、镍氢电池能量密度进步也有限。

所以,最好的能量载体,应当处于元素周期表。那么氢氦锂铍硼,碳氮氧氟氖,哪个最适合用作电池质料?

氦、氮、氖都是惰性气体,氧与氟都是氧化剂,不能用,剩余的氢、锂、铍、硼、碳中,氢和碳的移动电子和原子量份额最高,但是他们组成的碳氢化合物实践上现已运用的,也便是石油等化石燃料。

剩余的锂、铍、硼中,尽管锂的电子搬运数量和原子量的份额只需14%,低于铍(28%)、硼(22%),但经测定锂的电化学活性出奇的高,是具有最低电位的电极资料,一同其在地球上的储量也比后两者高得多,最适合作为电池质料。

很快,科学家们就将这一定论转化成了实践的产品。

1985年,加拿大Moli Energy公司推出了一款比能量超越100Wh/kg的锂电池,引发商场颤动,该类型电池订单如雪片般飞来,到1988年末已有超越200万,该公司也被视作科技职业的一颗明日之星。

但是他们还没快乐多久,仅过了几个月,该型电池就出了问题。运用该电池的产品屡次发作起火爆破事情,给用户带来了十足的惊吓甚至损伤。因为安全事情发作的次数不少,如此严峻的安全隐患使得Moli Energy不得不召回全部产品,随后一蹶不振。

1989年末,Moli Energy破产清算。与此一同,惠廷厄姆登上了舞台。

惠廷厄姆:“离别”化学反响

Moli Energy的问题出在哪儿呢?

和现在的“锂离子电池”作区别,前期的锂电池实践是“锂金属电池”。这种电池的负极用的是锂金属,其原理是在放电时经过化学反响分出满足的电子,充电时相同经过化学反响把它们“抓”回来,变回锂原子。

但是在这个进程中有一个一直无法处理的问题:人们既无法确保在放电时,负极的锂金属能均匀地分出电子,又无法确保电子堆积时,锂原子均匀地散布在负极外表。

更可怕的是,在实践运用中,负极外表的锂原子不只不会趋向均匀散布,反而会朝外无序地延伸,成长出树枝相同的晶体,也便是“枝晶”。枝晶终究会直接搭到电池正极,导致电池短路甚至爆破。

在Moli Energy破产后,日本电子巨子NEC收买了他们,并将其产品悉数进行从头检测。终究成果显现,简直全部电池在5000次循环以内都呈现了问题,从衰减到爆破都有。如此高的事端率,基本上断定了锂电池的死刑。

外界言论见风使舵,马上对整个锂电池职业展开了狂风暴雨打印机脱机似的口诛笔伐,负面点评漫山遍野,直欲致锂电池于死地,不少科学家及业内人士因而灰心丧气。

不过,仍有人坚持在这个范畴中探究,其中就包含惠廷厄姆。实践上在Moli Energy推出第1款锂电池之前,他就发现了问题,并提出了处理计划。只不过在其时数码电子商场巨大的需求下,Moli Energy没有耐性等候新技能的老练。

惠廷厄姆表明,已然安全隐患来源于枝晶,而枝晶构成于锂金属氧化复原的化学反响中,那只需防止这种化学反响,不就行了吗?

他在1976年提出,要让锂离子在正负极分出/脱离,不一定需求根据改动物质结构的化学反响,彻底能够走另一条路途,选用略微“物理”一些的办法——南北极选用特别的层状资料,使得锂离子抵达后并不经过化学反响结合,而是被“吸附”在层与层之间。

这样,锂离子能够在南北极资猜中随意地嵌入/脱出,又不会导致南北极呈现物质结构的改动。

根据这一理论,他迈出了让电池中不存在纯金属锂这一步,运用二硫化钛做正极,用锂铝合金做负极,制造出了和当今锂离子电池十分相像的电池模型,惠廷厄姆也因而被称为“可充电锂离子电池之父”。

不过如前文所说,其时锂金属电池合理盛行时,他的想象并未得到注重。并且他制造的样品,不管选用二硫化钛或许二硫化钼作为正极资料,都无法打破电池电压2V的上限。

这时候,古迪纳夫呈现了。

古迪纳夫:一手造就锂电池三大腾跃

值得一提的是,古迪纳夫以97岁高龄取得了诺贝尔奖,改写了获奖年纪纪录。而他开端在获奖项目进行研讨的时刻,也十分晚。当惠廷厄姆提出锂离子嵌入/脱离计划时,古迪纳夫现已到了54岁高龄,并一度被长辈评判为不会在学界有什么出路了。

在这个年纪,他做出了一个改动余生的决议——抛弃在麻省理工林肯试验室的作业,前往牛津大学。在那里,他作为一个只修过两门化学课程的物理学博士,成了无机化学试验室的主任。

在这个岗位上,他的研讨范畴转到了电池,并遭到惠廷厄姆极大的启示。

在惠廷厄姆研讨的根底上,他揣度,惠廷汉姆在锂离子电池正极选用的二硫化钛不行巩固,跟着充电时锂离子朝负极方向搬运,正极逐步被掏空并崩塌。要想取得打破,必须用一种愈加巩固的物质来代替二硫化钛。

很快,他确认了大方向:用过渡金属氧化物代替过渡金属硫化物。后续的事实证明,他对电池开展方向的判别十分准确,金属氧化物确实是电池正极的诺贝尔化学奖小传:马斯克最该感谢的3个人,他们扭转了全人类科技树最佳资料。接下来的问题,就剩余哪种资料更适合了。

在之后的4年时刻里,古迪纳夫和他的2名博士后帮手对照元素周期表,一个元素一个元素地试验、解析,终究确认,钴是最适合的金属,钴和锂的氧化物能够在4V的电压下支撑对折的锂离子脱出而不崩塌。钴酸锂电池就此问世。

钴酸锂在晶体学上归于层状资料,钴和氧原子的结合,构成正八面体的“平板”。锂原子层就镶嵌在两个“平板”之间,锂原子能够在钴酸锂晶体中快速移动。

相较于本来的二硫化钛,钴酸锂资料具有许多长处,比方进步电压、进步贮存电量、改进枝晶问题等,一同,钴酸锂自身的安全性也不小。

事实上,到这儿停止,锂离子电池现已彻底进入可用阶段,究竟现在的手机、笔记本电脑都在运用,闻名的松下18650钴酸锂电诺贝尔化学奖小传:马斯克最该感谢的3个人,他们扭转了全人类科技树池,现在正随一辆辆特斯拉奔跑在全球的街道上。

不过在其时,因为西方国际对Moli Energy的惨烈经验心有余悸,没有人敢把这项创造投入有用。

正所谓西方不亮东方亮,上世纪80年代的日本经济腾飞,高科技产业大开展,在初见端倪的全诺贝尔化学奖小传:马斯克最该感谢的3个人,他们扭转了全人类科技树球电子产品商场上更是称王称霸的存在。作为电子产品的根底,日自己对电池技能的开展巴望万分——这也是NEC收买破产的Moli Energy的原因。

西方人不敢测验新技能,日自己就捡了这个大便宜。那个时候,凭仗红白机和Walkman享誉全球的索尼拿到了钴酸锂的专利,在处理了电池负极资料问题后,于1991年发布了人类前史上第1个商用锂离子电池。

尽管相较之前的电池技能有了革命性的腾跃,但钴酸锂依然存在一些缺点,比方抗过充水平低、循环功能差、抛弃污染严峻等,当然还有,钴自身也太贵了。

为了处理这些问题,到达退休年纪又称得上功成名就的古迪纳夫没有退下科学阵线,从头投入了对新资料的寻觅。他在1986年回到美国,在德克萨斯大学奥斯汀分校持续研讨电池。在这个进程中,他提出了正极资料选用“尖晶石”结构的想象。

依照这一理念,他的学生迈克萨克雷(Mike Thackeray)创造了锰基尖晶石,研讨出了后来的锰酸锂电池。

而古迪纳夫自己专心于对铁和磷组合的研讨,并创造性地提出了“橄榄石”这一新的正极晶体结构。在这一结构中,铁、氧、磷以不同的八面体和四面体则构成骨架,构成Z字链状结构,相较于钴酸锂的层状结构,LFP的空间骨架结构更安稳诺贝尔化学奖小传:马斯克最该感谢的3个人,他们扭转了全人类科技树,锂离子在骨架的通道中也能快速移动。一同,LFP的成分是极端廉价的铁与磷,价格远低于钴。

继钴酸锂、锰酸锂之后,锂离子电池的第3种正极资料——磷酸铁锂——就此诞生。而以一己之力发现这3种资料的古迪纳夫,也被称作“锂离子电池之父”。

吉野彰:锂电池商业化的勋绩

前面提到,索尼在拿到钴酸锂专利并处理了负极资料问题后,推出了全球首个商用钴酸锂电池。而找到负极资料的这个人,便是吉野彰。

相较前2位而言,吉野彰的成功更多的是“站在了伟人的膀子上”。开始,他的主攻方向是由日本科学家创造的聚乙炔导电化合物电池,但迟迟未能找到适宜的正极资料——直到他读到古迪纳夫的论文。

吉野彰回想:“他的发现给了我所需求的全部,钴酸锂运转杰出,能把现有的锂镉电池的分量减缩三分之一。”

1983年,吉野彰选用钴酸锂作为正极,用聚乙炔作为负极,制造出国际第1个商用可充电锂离子电池的原型。1985年战胜许多技能问题,彻底消除金属锂,确立了可充电含锂碱性锂离子电池的基本概念,并取得日本注册专利。

尔后,他将目光转向了高能量密度的石墨负极资料,并使用早前美国科学家的研讨成果,将本来的有机电解液碳酸丙烯酯替换为新的碳酸脂类溶剂,处理了石墨负极外表构成安稳SEI膜的问题,并在1987年推出了焦炭/LCO系统锂离子电池,这也是现在全部锂离子电池系统的雏形。

根据他的这一奉献,后世相同有人将其称为“锂离子电池之父”。

今日咱们现已习惯了锂离子电池的便当,觉得这项技能稀松往常,但放眼人类前史,古迪纳夫、惠廷厄姆、吉野彰创造的肯定是最精彩的英豪故事之一。

锂电池曾和晶体管一同被视作“电子工业中最巨大的创造”,而晶体管的创造人巴丁,早已在1956年取得诺贝尔物理学奖。所以许多年来,每年的猜测抢手范畴都有锂离子电池的身影,97岁的古迪纳夫老爷子现已陪跑多年。

这次3人一齐获奖,也算是了却了科技界一桩一起的憾事。

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