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3位锂离子电池科学家获诺奖
2019-10-11 | 编辑: | 【 】| | 供稿部门:规划战略与信息中心
    

  2019年诺贝尔化学奖揭晓,授予发明锂离子电池方面做出贡献的3位科学家:美国固体物理学家约翰·巴尼斯特·古迪纳夫(John B. Goodenough)、英国化学家斯坦利·威廷汉(Stanley Whittingham)和日本化学家吉野彰(Akira Yoshino)。三位科学家将平分诺奖奖金。

 

  约翰·巴尼斯特·古迪纳夫(John B. Goodenough),美国固体物理学家,因为发明可充电锂离子电池而闻名于世。1979年古迪纳夫发现,将钴酸锂(LiCoO2)作为电池的阴极,将除锂之外的金属材料作为阳极,能够实现高密度的能量储存。这一发现为锂离子电池的发展铺平了道路,促成了可充电锂离子电池的广泛应用。1983年,古迪纳夫、M.Thackeray等人发现锰尖晶石是优良的电池阳极材料。锰尖晶石具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能。其分解温度高,且氧化性远低于钴酸锂,即使出现短路、过充电,也能够避免了燃烧、爆炸的危险。1989年,古迪纳夫、A.Manthiram发现采用聚电解质(例如,硫酸盐)的阳极将产生更高的电压,原因是聚电解质的电磁感应效应。此外,他还与日本学者金森顺次郎共同提出“古迪纳夫-金森法则”(Goodenough-Kanamori rules)。

  斯坦利·威廷汉(Stanley Whittingham),英国化学家,现任纽约州立大学石溪分校化学系杰出教授,纽约州立大学宾厄姆顿分校化学教授、材料研究和材料科学与工程研究所主任、纽约电池和储能联合会(NYBEST)董事会副主席。2015年,威廷汉因在锂离子电池领域的开创性研究获得科睿维安化学领域引文桂冠奖。2018年因将插层化学应用在储能材料上的开创性贡献,当选美国国家工程院院士。

  吉野彰(Yoshino Akira),日本化学家,现代锂离子电池(LIB)的发明者,曾获得工程学界最高荣誉全球能源奖与查尔斯·斯塔克·德雷珀奖。1983年,吉野运用钴酸锂(LiCoO2;锂和氧化钴的化合物,由约翰·B·古迪纳夫、水岛公一等人发现)开发阴极,运用聚乙炔开发阳极,在1983年制出世界第一个可充电锂离子电池的原型。1985年克服诸多技术问题,彻底消除金属锂,确立了可充电含锂碱性锂离子电池(LIB)的基本概念,并取得日本注册专利。吉野彰的锂电池突破以往镍氢电池的技术限制,开启了行动电子设备的革命。由于极高的安全性、稳定的能量输出以及合理的价格,锂离子电池最终于1991年由SONY首次商业化。2014年,美国国家工程院公认约翰·B·古迪纳夫、西义郎、Rachid Yazami和吉野彰为现代锂离子电池所做的先驱性和领先性的基础工作。

    特别值得一提的是,近几年的化学奖颁布期间,有一位科学家受到了广泛的关注,他就是现已97岁的“锂电池之父”——John B. Goodenough。

  许多人都期待这位在推动电池发展上有着重要贡献且年事已高的科学家能够得到诺奖的青睐,如若Goodenough成为获奖者,他也将打破现有的历史记录,成为最高龄的一届得主。该记录由去年的诺贝尔物理学奖得主阿瑟·阿什金保持,他在去年获奖时已经96岁。现在,古迪纳夫终于得到了诺奖的认可! 

▲ John B. Goodenough 

得克萨斯大学奥斯汀分校 

  因其开发的锂离子可充电电池以及发现古迪纳夫-金森法则用于确定超交换(superexchange)材料磁性符号而受到广泛关注。他是著名固体物理学家,钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂正极材料的发明人,锂离子电池的奠基人之一,通过研究化学、结构以及固体电子/离子性质之间的关系来设计新材料解决材料科学问题。 

  他在 1922 年 7 月 25 日出生于德国,1944 年在耶鲁大学获得数学学士学位,在二战后完成博士学位,1952 年毕业于芝加哥大学。 

  他早期在麻省理工学院林肯实验室进行随机存取存储器(RAM)开发研究。20 世纪 70 年代末到 80 年代初担任牛津大学无机化学实验室主任,并开发出锂离子可充电电池的首选阴极材料钴酸锂。自 1986 年以来,Goodenough 一直担任美国得克萨斯大学奥斯汀分校机械工程和机电工程教授,并继续研究离子导电固体和电化学装置。 

  重大荣誉:Goodenough 教授是美国国家工程院、美国国家科学院、法国科学院和西班牙皇家学会的院士成员。Goodenough 还是 2009 年恩里科·费米奖(Enrico Fermi Award)的共同获得者。在 2010 年当选为英国皇家学会外籍院士。在 2013 年,Goodenough 获得美国国家科学奖章。 

   97岁“锂电池之父”的传奇人生,一手缔造便携能源帝国 

  如果不是相关领域的人,科学家的名字往往没那么好记住,但是 John B. Goodenough 是个例外:他的姓氏 Goodenough 好见但直白,这就是一个把自己的人生和人类的命运都弄得“足够好”的人。 

  Goodenough 是公认的“锂电池之父”,正是他所领导的创新使锂电池迈向体积更小、容积更大、使用方式更稳定的商业化过程,同时开启了电子设备便携化的革命。 

  锂电池作为最主要的便携式能量源,影响着我们生活的方方面面。如果没有锂电池,就不会有如今的便携式穿戴设备。锂电池产业已经接近年产几十亿美元,为人类的日常活动提供动力。锂电池还曾和晶体管一起被视作电子工业中最伟大的发明,而晶体管的发明人巴丁已经荣获诺贝尔奖。 

  索尼在 1991 年采用 Goodenough 理论后,制作出了世界上第一款商用锂电池,从此手机、照相机、手持摄像机乃至电动汽车等领域各自步入了便携式新能源时代。 

  早期的锂电池用金属锂作为电极材料,在电池使用过程中极易发生燃烧和爆炸,因此无法被广泛使用。为解决这一问题,Goodenough 提出锂离子嵌入、脱出的工作机制,以钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂替代金属锂作为稳定的电极材料,既解决了电池的安全性问题,又降低了电池的制造成本,实现了锂离子电池技术的革命性突破,极大地推动了这一技术其他领域的广泛应用。 

  作出这样的贡献,他的一生也是一部传奇。他毕生都在为让人类摆脱化石燃料而奋斗,但在取得了这些改变了人类进程的“足够好”的研究成果之前,他自己的人生并不够好。 

  1946 年,23 岁的退伍士兵 Goodenough 带着科研梦想进入了芝加哥大学,但是在那里一位教授告诉他,他的年龄太大了,很难在这一行取得成功。这位教授说的其实没错,因为 7 年后 Goodenough 博士毕业,初入科研时已经 30 岁了,而 30-40 岁应当是一个正常学者的科研巅峰时期,他至少落后了 3 年。但是年轻气盛的 Goodenough 并没有听从这位教授的建议。 

  制作电池需要选择合适的电极材料和电解质材料,以提高电池容量和充放电速度,60 年来不可充电的锌碳电池一直占据着消费电池的主要市场。1976 年,53 岁的Goodenough 进入牛津大学教授化学,同年英国化学家 Stan Whittingham 宣布了他在锂电池方面取得的重大突破。Whittingham 的发现虽然是电池产业的一次飞跃,但是他的锂电池却在过充的时候极易发生爆炸,依然不可商用。Goodenough 认为自己可以改善这个缺点。 

  1980 年,Goodenough 抵达牛津四年后,他终于采用钴酸锂获得突破。新电池拥有更小的体积,更大的容量和更加稳定的使用方式。 

  如今,Goodenough 已经 97 岁高龄,还依然每天往返于实验室,奋斗在科研第一线。90 多岁的高龄时,他周一到周五每天早上七点都会在办公室开始工作,周六周日再在家工作一天半。去年他和他的团队还在固态电池上取得了新的重要进展。他认为,他还需要最后一个重大发明才能无愧于自己——制造出可以使电动汽车代替汽油车的高容量电池。 

  这些年来,让人多少有些惋惜的是,他年年都是诺贝尔化学奖的“陪跑者”。 

  Goodenough 的传奇人生似乎并没有影响到诺贝尔委员会的评价。每年Goodenough 都是诺贝尔化学奖的热门候选人,但是他依旧年年陪跑,堪称化学界的“村上春树”。甚至在 2017 年,一封名为“Open Letter:John Goodenough Deserves A Nobel Prize”公开在 CleanTechnica 网站上,希望诺贝尔委员会能够授予 Goodenough 诺贝尔化学奖。这项很多人参与的请愿运动不出意外地没有回音。 

  而锂电池领域距离上一次突破,已经 20 多年了。这期间无数研究人员奋力研发着新电池,他认为自己只是这个队伍中的普通一员。 

  正如 Goodenough 在其 92 岁的时候曾说,我才 92 岁,我的人生长着呢!  

 

▲ 2013年,古迪纳夫获得美国国家科学奖章(图片来源:Alcalde) 

 

  编辑:规划战略与信息中心 图书馆 

  信息来源:https://mp.weixin.qq.com/s/vgcCmYTreVgVAgHx09HRNA

                            https://mp.weixin.qq.com/s/7jyFCQHp9ZUZF8a-fo97YQ

 

 
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