锂电池荣耀时刻 解读2019诺贝尔化学奖

2019年10月9日下午，瑞典皇家科学院公布了2019年诺贝尔化学奖得主，分别是约翰·B·古德诺(John B.Goodenough)、M·斯坦利·惠廷翰(M.Stanley Whittingham)和阿基拉·吉野(Akira Schmidt)，以表彰他们在锂离子电池领域的巨大贡献。这三位科学家分别来自美国、英国和日本。在他们的共同努力下，他们成功地将锂离子电池推向了市场，推动了智能手机、笔记本电脑、电动汽车等行业的快速发展。锂离子电池的起源第一章:维廷汉姆建立了理论基础。20世纪70年代，全球石油危机爆发。按照当时美国媒体的说法，石油很快就会枯竭，所以急需采用替代能源。作为替代能源，风能和太阳能在当时被广泛研究。但是这种能量的产生依赖于天气，导致产生的电能不稳定，这是给电网供电的大忌。因此，需要一种高能量密度的储能装置来储存风力发电机或太阳能电池板产生的电能，然后稳定地输出到电网。在这种背景下，开发可重复充放电的高性能电池成为当时科学界的一大方向。金属锂是元素周期表中直径最小的金属，单位体积的密度可以非常高，因此成为电池中的电极材料时可以带来更高的能量密度。但由于它也是最活泼的金属，遇到氧气会发生强烈的化学反应，放出热量，甚至爆炸，所以控制起来非常困难。20世纪50年代有一种以锂金属为负极的电池，在相同规格下比其他电池容量更高，但不支持充放电。当20世纪70年代石油危机爆发时，科学家们开始研究如何利用锂的特性来制造高容量和可重复使用的可充电电池。20世纪70年代，斯坦福大学的英国教授斯坦·惠廷翰有了一项重要发现。当使用二硫化钛和锂金属作为电极时，锂离子可以通过电解质嵌入到层状二硫化钛(TiS2)中，从而产生电能。而且整个过程是可逆的，即可以反复充放电，这意味着金属锂的电化学优势终于可以在充电电池中展现出来了！教授也是信心满满。在能源巨头埃克森美孚公司的巨额资金支持下，他的团队迅速投入到商用可充电锂离子电池的研发中。这个项目初期非常顺利，开发的电池充放电效果符合预期。然而，噩梦很快降临到怀廷汉姆身上。他万万没有想到，眼前的锂离子电池，从化学的角度来看是毫无瑕疵的，却因为一个物理现象而出现了严重的缺陷。这种现象说明，随着电池的反复充放电，电池负极开始生成树枝状的锂晶体，科学上称之为锂枝晶。锂枝晶会通过电解液从电池负极向正极生长，从而刺破电池内部的隔膜，使正负极短路，导致电池热失控，所以教授的实验室经常发生锂离子电池起火事故。而且随着电池的多次循环，它能储存的能量越来越少。面对这两个棘手的问题，最终，他的充电锂电池以失败告终，但这一发现为后来开发更安全的锂离子电池奠定了理论基础。锂离子电池的起源第二章:Goodenough发现了优秀的正极材料虽然不是电化学传奇人物Goodenough首先做出了锂离子电池，但是如果没有他，恐怕锂离子电池的商业化还需要几年甚至几十年的时间。当时Goodenough的结论是，Wittingham先生研发的硫化钛正极材料存在缺陷，即在充电时，锂离子电池会像负极一样从正极材料中不断移动，导致正极材料的掏空和层状结构的坍塌，从而导致电池不可逆的损坏。如今，这一推论得到了业内的证实。他们发现，在电池中使用锂钴氧化物(LiCoO2)和锂镍氧化物(NiCoO2)作为正极材料时，在层状化学结构稳定的前提下，可以将近一半的锂离子输送到负极，生成锂金属(正极材料)，整个过程是可逆的。这意味着Goodenough研发的锂电池正极材料，只要能匹配合适的正极材料，就能制造出大容量、长寿命的锂离子充电电池。但由于维廷汉姆之前对锂电池的研究以失败告终，埃克森美孚损失惨重，使得很多美国公司对锂离子电池不抱希望，以至于Goodenough的研究并不乐观，甚至其牛津大学也不愿意为钴酸锂的发现申请专利。锂离子电池的故事第三章:阿基拉·吉野直到后来才制造出第一块锂离子电池，古德诺的这份研究报告启发了一位名叫阿基拉·吉野的日本化学家。当时，吉野在日本旭化成公司工作，负责开发锂离子充电电池。当时，他已经找到了一种极好的充电电池负极材料——石墨。该材料成本低、性能高、结构稳定，是钴酸锂正极材料的完美匹配。吉野·亚基拉先生看了Goodenough的研究报告后，利用钴酸锂正极材料和石墨正极材料成功制造了世界上第一块锂离子电池。这种电池内部没有危险的金属锂，所有的锂都以离子状态存在，这使得它比以前以锂金属为负极的锂电池更加安全，因此得名锂离子电池。最后，吉野先生的团队通过与索尼的合作，于1991年发布了世界上第一款配备锂离子电池的“手机”。随后，锂电池供电的微型相机、笔记本电脑等电子产品相继问世。由于锂离子电池的高能量密度，这些电子设备在相同体积下更加耐用，这在业界引起了不小的轰动。在这方面，锂离子电池商业化的大门已经打开。至于后面的事情，相信很多人都见证了，随着锂离子电池的发展，能量密度越来越高，有助于pers的小型化……手机、笔记本电脑、智能手表等所有电子设备，大大提高了实用性。至此，我们知道Wittingham先生发现锂离子可以通过电解质嵌入到正极材料的层状结构中，这启发了Goodenough先生，使他能够开发出稳定高效的钴酸锂正极材料。吉野·阿基拉先生将钴酸锂正极材料与石墨负极结合在一起，为锂离子电池的商业化带来了曙光，对未来人类的生活产生了深远的影响。从这个角度来说，三人的确都可以称之为锂离子电池之父，获得诺贝尔奖实至名归！2019年10月9日下午，瑞典皇家科学院公布了2019年诺贝尔化学奖得主，分别是约翰·B·古德诺(John B.Goodenough)、M·斯坦利·惠廷翰(M.Stanley Whittingham)和阿基拉·吉野(Akira Schmidt)，以表彰他们在锂离子电池领域的巨大贡献。这三位科学家分别来自美国、英国和日本。在他们的共同努力下，他们成功地将锂离子电池推向了市场，推动了智能手机、笔记本电脑、电动汽车等行业的快速发展。锂离子电池的起源第一章:维廷汉姆建立了理论基础。20世纪70年代，全球石油危机爆发。按照当时美国媒体的说法，石油很快就会枯竭，所以急需采用替代能源。作为替代能源，风能和太阳能在当时被广泛研究。但是这种能量的产生依赖于天气，导致产生的电能不稳定，这是给电网供电的大忌。因此，需要一种高能量密度的储能装置来储存风力发电机或太阳能电池板产生的电能，然后稳定地输出到电网。在这种背景下，开发可重复充放电的高性能电池成为当时科学界的一大方向。金属锂是元素周期表中直径最小的金属，单位体积的密度可以非常高，因此成为电池中的电极材料时可以带来更高的能量密度。但由于它也是最活泼的金属，遇到氧气会发生强烈的化学反应，放出热量，甚至爆炸，所以控制起来非常困难。20世纪50年代有一种以锂金属为负极的电池，在相同规格下比其他电池容量更高，但不支持充放电。当20世纪70年代石油危机爆发时，科学家们开始研究如何利用锂的特性来制造高容量和可重复使用的可充电电池。20世纪70年代，斯坦福大学的英国教授斯坦·惠廷翰有了一项重要发现。当使用二硫化钛和锂金属作为电极时，锂离子可以通过电解质嵌入到层状二硫化钛(TiS2)中，从而产生电能。而且整个过程是可逆的，即可以反复充放电，这意味着金属锂的电化学优势终于可以在充电电池中展现出来了！教授也是信心满满。在能源巨头埃克森美孚公司的巨额资金支持下，他的团队迅速投入到商用可充电锂离子电池的研发中。这个项目初期非常顺利，开发的电池充放电效果符合预期。然而，噩梦很快降临到怀廷汉姆身上。他万万没有想到，眼前的锂离子电池，从化学的角度来看是毫无瑕疵的，却因为一个物理现象而出现了严重的缺陷。这种现象说明，随着电池的反复充放电，电池负极开始生成树枝状的锂晶体，科学上称之为锂枝晶。锂枝晶会通过电解液从电池负极向正极生长，从而刺破电池内部的隔膜，使正负极短路，导致电池热失控，所以教授的实验室经常发生锂离子电池起火事故。而且随着电池的多次循环，它能储存的能量越来越少。面对这两个棘手的问题，最终，他的充电锂电池以失败告终，但这一发现为后来开发更安全的锂离子电池奠定了理论基础。锂离子电池的起源第二章:Goodenough发现了优秀的正极材料虽然不是电化学传奇人物Goodenough首先做出了锂离子电池，但是如果没有他，恐怕锂离子电池的商业化还需要几年甚至几十年的时间。当时Goodenough的结论是，Wittingham先生研发的硫化钛正极材料存在缺陷，即在充电时，锂离子电池会像负极一样从正极材料中不断移动，导致正极材料的掏空和层状结构的坍塌，从而导致电池不可逆的损坏。如今，这一推论得到了业内的证实。他们发现，在电池中使用锂钴氧化物(LiCoO2)和锂镍氧化物(NiCoO2)作为正极材料时，在层状化学结构稳定的前提下，可以将近一半的锂离子输送到负极，生成锂金属(正极材料)，整个过程是可逆的。这意味着Goodenough研发的锂电池正极材料，只要能匹配合适的正极材料，就能制造出大容量、长寿命的锂离子充电电池。但由于维廷汉姆之前对锂电池的研究以失败告终，埃克森美孚损失惨重，使得很多美国公司对锂离子电池不抱希望，以至于Goodenough的研究并不乐观，甚至其牛津大学也不愿意为钴酸锂的发现申请专利。锂离子电池的故事第三章:阿基拉·吉野直到后来才制造出第一块锂离子电池，古德诺的这份研究报告启发了一位名叫阿基拉·吉野的日本化学家。当时，吉野在日本旭化成公司工作，负责开发锂离子充电电池。当时，他已经找到了一种极好的充电电池负极材料——石墨。该材料成本低、性能高、结构稳定，是钴酸锂正极材料的完美匹配。吉野·亚基拉先生看了Goodenough的研究报告后，利用钴酸锂正极材料和石墨正极材料成功制造了世界上第一块锂离子电池。这种电池内部没有危险的金属锂，所有的锂都以离子状态存在，这使得它比以前以锂金属为负极的锂电池更加安全，因此得名锂离子电池。最后，吉野先生的团队通过与索尼的合作，于1991年发布了世界上第一款配备锂离子电池的“手机”。随后，锂电池供电的微型相机、笔记本电脑等电子产品相继问世。由于锂离子电池的高能量密度，这些电子设备在相同体积下更加耐用，这在业界引起了不小的轰动。在这方面，锂离子电池商业化的大门已经打开。至于后面的事情，相信很多人都见证了，随着锂离子电池的发展，能量密度越来越高，有助于pers的小型化……手机、笔记本电脑、智能手表等所有电子设备，大大提高了实用性。至此，我们知道Wittingham先生发现锂离子可以通过电解质嵌入到正极材料的层状结构中，这启发了Goodenough先生，使他能够开发出稳定高效的钴酸锂正极材料。吉野·阿基拉先生将钴酸锂正极材料与石墨负极结合在一起，为锂离子电池的商业化带来了曙光，对未来人类的生活产生了深远的影响。从这个角度来说，三人的确都可以称之为锂离子电池之父，获得诺贝尔奖实至名归！

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