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國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)高溫防爆專利榮獲“中國(guó)專利優(yōu)秀獎(jiǎng)”

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97歲的“鋰電池之父”等三位科學(xué)家獲得2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)

來源： | 發(fā)布日期：2022-04-07

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北京時(shí)間2019年10月9日下午5點(diǎn)45分，2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)在斯德哥爾摩瑞典皇家科學(xué)院揭曉。 John Goodenough 教授、Stanley Whittingham 教授和 Akira Yoshino 博士因在鋰電池創(chuàng)造方面的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)而獲得了今年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

在過去的幾十年里，只有少數(shù)發(fā)明徹底改變了世界，而鋰電池在其中占有一席之地。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，如果您沒有鋰電池，您通常無法通過手頭的設(shè)備閱讀此新聞。

---為鋰電池的發(fā)展做貢獻(xiàn)---

Goodenough 首先發(fā)現(xiàn)了鈷酸鋰作為合適的正極材料，隨后又發(fā)現(xiàn)了錳基尖晶石和磷酸鐵鋰。吉野晃在確立了鋰離子電池的基本框架后，不斷提升其性能和安全性。

1979年，Goodenough發(fā)現(xiàn)鈷酸鋰適合作為正極材料，降低了現(xiàn)有鋰離子電池（以金屬鋰為正極材料）的安全隱患。吉野晃利用這一發(fā)現(xiàn)，首先使用聚乙炔，然后是碳基材料作為陽(yáng)極，以消除電池中的金屬鋰，并使用含鋰化合物建立現(xiàn)代鋰離子電池的基本框架。 1991年，索尼將兩者聯(lián)合開發(fā)的鋰離子電池推向市場(chǎng)，標(biāo)志著鋰離子電池的普遍應(yīng)用。鋰離子電池通常廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電子設(shè)備、電動(dòng)汽車、太陽(yáng)能等領(lǐng)域。而吉野明也因其在鋰離子電池領(lǐng)域的成就成為日本第8位獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)家、第24位獲得諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)的日本科學(xué)家。這位科學(xué)家（包括兩名美國(guó)人）。

---獲獎(jiǎng)?wù)吆?jiǎn)介---

約翰·本寧斯特·古迪納夫

1922年7月25日，古迪納夫教授出生在德國(guó)，現(xiàn)年97歲。 1943年獲耶魯大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)士學(xué)位。二戰(zhàn)后，古迪納夫于 1952 年獲得芝加哥大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位。1952 年至 1976 年，古迪納夫在麻省理工學(xué)院的林肯實(shí)驗(yàn)室工作，專注于記憶的材料物理研究。 1976 年，Goodenough 加入牛津大學(xué)，擔(dān)任教授和無機(jī)化學(xué)研討會(huì)負(fù)責(zé)人。自 1986 年以來，Goodenough 一直擔(dān)任德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的教授，繼續(xù)從事能源數(shù)據(jù)研究。

吉野明

1948年1月30日，吉野明教授出生于日本大阪，現(xiàn)年71歲。吉野教授1970年畢業(yè)于京都大學(xué)工學(xué)部石油化學(xué)系，1972年獲得工學(xué)碩士學(xué)位，2005年獲得大阪大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位。1972年，吉野明加入旭化成工業(yè)株式會(huì)社., Ltd.，并于 1994 年擔(dān)任 AT&T 技術(shù)開發(fā)部總監(jiān)。 1997年任旭化成工業(yè)株式會(huì)社離子二次電池事業(yè)推進(jìn)室主任。2005年起任旭化成工業(yè)株式會(huì)社吉野研討室主任。

惠廷厄姆

Whittingham教授目前在美國(guó)賓厄姆頓大學(xué)東北化學(xué)儲(chǔ)能中心（NECCES）和能源前沿研究中心（EFRC）工作。他和John B. Goodenough在鋰電池領(lǐng)域取得了開創(chuàng)性研究，并被湯森路透預(yù)測(cè)為2015年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的候選人。

1971 年被 Whittingham 教授收購(gòu)2004年ECS電化學(xué)學(xué)會(huì)青年學(xué)者獎(jiǎng)，2004年ECS電化學(xué)學(xué)會(huì)電池研究獎(jiǎng)，2006年年中入選ECS電化學(xué)學(xué)會(huì)，以表彰他對(duì)鋰電池科學(xué)與技術(shù)的貢獻(xiàn)。

- 冠軍傳奇 -

Goodenough 的一生充滿傳奇色彩。他既是一位寫生活的科學(xué)家，也是一位虔誠(chéng)的基督徒。他被公認(rèn)為“鋰離子電池之父”，但他幾乎沒有從他的創(chuàng)作中獲利。他從小熱愛文學(xué)和哲學(xué)，但最終以優(yōu)異的成績(jī)畢業(yè)于耶魯大學(xué)數(shù)學(xué)系。

當(dāng)古迪納夫計(jì)劃學(xué)習(xí)物理學(xué)時(shí)，第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)了。古迪納夫參軍并擔(dān)任航空部隊(duì)的氣候?qū)＜?。?zhàn)后，他決定繼續(xù)攻讀物理學(xué)。盡管一些教授認(rèn)為他在這個(gè)年紀(jì)很難在物理學(xué)領(lǐng)域取得成就，但古迪納夫并沒有氣餒。獲得博士學(xué)位后。在固態(tài)物理學(xué)方面，他曾在林肯實(shí)驗(yàn)室工作。在那里，他發(fā)現(xiàn)了目前鐵氧體磁芯的巧合記憶功能——電子計(jì)算機(jī)記憶技術(shù)的基礎(chǔ)。

在林肯實(shí)驗(yàn)室工作期間，Goodenough 接觸了一些能源并研究了鋰離子的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)時(shí)正趕上美國(guó)對(duì)阿拉伯國(guó)家石油禁運(yùn)的影響，能源問題日益突出。古迪納夫決定投身于鋰電池的研究，一次偶然的機(jī)會(huì)，來到牛津大學(xué)擔(dān)任無機(jī)化學(xué)教授。

看來，Goodenough 似乎已經(jīng)晚了一步：可充電鋰電池曾經(jīng)是由英國(guó)化學(xué)家 Whittingham 發(fā)明的。但是這種電池在充放電過程中容易著火爆炸，應(yīng)用起來比較困難。 Goodenough 相信他可以制造出更高效、更安全的鋰離子電池。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)計(jì)算，他發(fā)現(xiàn)鈷酸鋰比原來使用的硫化鈦更合適。儲(chǔ)存鋰離子。

在世界的另一端，吉野明也在絞盡腦汁攻克鋰離子電池的難題。他找到了合適的陽(yáng)極材料，但沒有合適的陰極材料——直到他閱讀了 Goodenough 的論文。 Akira Yoshino 回憶說：“他的發(fā)現(xiàn)給了我所需的一切。鈷酸鋰效果很好，可以將現(xiàn)有鋰鎘電池的重量減少三分之一?！?

吉野明設(shè)計(jì)的鋰離子電池采用碳基材料作為陽(yáng)極，鈷酸鋰作為陰極，徹底去除了電池中的金屬鋰，提高了安全性。這種技術(shù)范式確立了鋰離子電池的基本概念

為了改良鋰離子電池性能，吉野彰又對(duì)鋰離子電池停止了屢次技術(shù)改進(jìn)，例如采用鋁箔做集流體，用聚乙烯薄膜做離子隔閡，對(duì)鋰離子電池的電解質(zhì)改良，使其可以提供更高的電壓。
1991年，兩人協(xié)作創(chuàng)造的鋰離子電池被索尼公司推向市場(chǎng)，標(biāo)志著鋰離子電池的大范圍運(yùn)用。兩人也因而結(jié)下了深沉友誼。爾后，吉野彰每年都會(huì)去德州訪問古迪納夫?；貞洑v史，吉野彰表示：“電池技術(shù)是復(fù)雜又艱難的學(xué)科穿插范疇，它的開展需求多方面的專家。在我看來，鋰離子電池是集體聰慧的成果。”
97歲高齡的古迪納夫依然在繼續(xù)從事能源方面的研討。古迪納夫希望能研發(fā)出高能量密度、高平安性的固態(tài)電池，從而處理人類潛在的能源危機(jī)。他說：“我想在逝世前處理這個(gè)問題，我才九十多歲，還有時(shí)間。”

---鋰離子電池的發(fā)展---

電池：時(shí)代一度的棄兒

鋰電池是怎樣降生的呢？這還要從1960年代說起。當(dāng)時(shí)，電池并不是什么新穎玩意兒。大家早就曉得電池需求有兩個(gè)電極，電極之間需求有電解質(zhì)，讓離子挪動(dòng)。電池的兩個(gè)電極分別叫做陰極和陽(yáng)極。在電池放電時(shí)，帶正電的離子會(huì)從陽(yáng)極跑到陰極，產(chǎn)生電流。

不可思議，用于兩個(gè)電極與電解質(zhì)的資料，決議了電池的性能。為了改造電池，科學(xué)家們需求嘗試各種不同的資料。這看上去是一件單調(diào)的事，也沒有幾人愿意投身其中。

推出T型車的福特公司，無意中激起了研討電池的熱潮

但是1966年，福特公司徹底改動(dòng)了這個(gè)狀況。在推出了著名的T型車后，福特公司決議投資電力驅(qū)動(dòng)的汽車。為了提供車輛行駛的能源，福特公司方案開發(fā)一種新的電池，貯存的能量要是原先的15倍之多。按想象，這種新電池每次只需求充電1小時(shí)，就能駕駛322公里，聽起來十分吸收人。
從如今看，福特公司的豪言并沒有真正兌現(xiàn)。但這卻在當(dāng)時(shí)激起了一股研討電池的熱潮?！耙祸畷r(shí)，一切的事情都改動(dòng)了，電池不再是單調(diào)乏味的范疇”，Goodenough教授回想說。這股對(duì)電池的狂熱不斷持續(xù)到了70年代：在石油危機(jī)的影響下，人們?cè)桨l(fā)置信，電力驅(qū)動(dòng)才是將來。

鋰電池的降生

而鋰電池就是人們提出的新型電池之一。當(dāng)時(shí)任職于Exxon公司的Whittingham博士造出了鋰電池的雛形。他指出，二硫化鈦與鋰有望成為一種全新的電池系統(tǒng)。這兩者之間的電化學(xué)反響十分疾速，且在環(huán)境溫度下是可逆的。這標(biāo)明我們能夠給這種電池充電。在1976年的一篇《科學(xué)》論文中，Whittingham博士指出二硫化鈦是能作為陰極的新一代固體資料。
但鋰電池的雛形并沒有得到普遍應(yīng)用，這背后有著多種緣由。首先，二硫化鈦太貴了（當(dāng)時(shí)售價(jià)每公斤1000美圓），不合適作為電池的資料。其次，在與空氣接觸后，二硫化鈦也會(huì)產(chǎn)生硫化氫。這種分子不只具有惡臭氣息，還對(duì)動(dòng)物有毒性。此外，金屬鋰制成的電極十分生動(dòng)，容易帶來起火或爆炸等平安隱患。思索再三，Exxon公司決議放棄這款鋰電池的研發(fā)方案。
但其他科學(xué)家們并沒有放棄此類新型電池。既然問題出在電極的資料上，或許交換電極就能處理問題。1980年，Goodenough教授的團(tuán)隊(duì)做出打破。他們發(fā)現(xiàn)鋰的金屬氧化物或許能成為鋰電池的電極。一方面，它仍然能釋放鋰離子；另一方面，它更為穩(wěn)定，沒有平安隱患。在當(dāng)年的《Materials Research Bulletin》雜志上，他的團(tuán)隊(duì)標(biāo)明鈷酸鋰（LiCoO2）能成為鋰電池的陰極資料。時(shí)至今日，我們照舊在運(yùn)用這種資料制造鋰電池。

鋰電池的結(jié)構(gòu)示意圖

而電池另一極的研發(fā)則略微遇到了些迂回。同樣是在1980年，一些科學(xué)家指出，石墨或許能成為鋰電池的陽(yáng)極資料。但是電池中的一些可溶分子會(huì)插入到石墨的碳構(gòu)造中，形成毀壞。而吉野彰博士與其同事則運(yùn)用聚乙炔（polyacetylene）作為陽(yáng)極資料，一舉獲得了勝利。1985年，應(yīng)用鈷酸鋰和聚乙炔，吉野彰博士制造出了第一塊現(xiàn)代鋰電池。1991年，索尼與旭化成株式會(huì)社共同推出了第一塊商業(yè)化的鋰電池。一個(gè)嶄新的時(shí)期到來了。
自那時(shí)起，這三人就不斷被視為諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的有力競(jìng)爭(zhēng)者，卻屢屢與獲獎(jiǎng)無緣。往常，間隔這些科學(xué)家們的創(chuàng)新創(chuàng)造，曾經(jīng)過去了30多年。而今日授予他們的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，也是對(duì)他們?yōu)檫@世界所作嚴(yán)重改動(dòng)的最佳認(rèn)可！

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