鋰電池榮耀時刻 解讀2019諾貝爾化學獎

2019年10月9日下午，瑞典皇家科學院公布了2019年諾貝爾化學獎得主，分別是約翰·B·古德諾(John B.Goodenough)、M·斯坦利·惠廷翰(M.Stanley Whittingham)和阿基拉·吉野(Akira Schmidt)，以表彰他們在鋰離子電池領域的巨大貢獻。這三位科學家分別來自美國、英國和日本。在他們的共同努力下，他們成功地將鋰離子電池推向了市場，推動了智能手機、筆記本電腦、電動汽車等行業的快速發展。鋰離子電池的起源第一章:維廷漢姆建立了理論基礎。20世紀70年代，全球石油危機爆發。按照當時美國媒體的說法，石油很快就會枯竭，所以急需采用替代能源。作為替代能源，風能和太陽能在當時被廣泛研究。但是這種能量的產生依賴于天氣，導致產生的電能不穩定，這是給電網供電的大忌。因此，需要一種高能量密度的儲能裝置來儲存風力發電機或太陽能電池板產生的電能，然后穩定地輸出到電網。在這種背景下，開發可重復充放電的高性能電池成為當時科學界的一大方向。金屬鋰是元素周期表中直徑最小的金屬，單位體積的密度可以非常高，因此成為電池中的電極材料時可以帶來更高的能量密度。但由于它也是最活潑的金屬，遇到氧氣會發生強烈的化學反應，放出熱量，甚至爆炸，所以控制起來非常困難。20世紀50年代有一種以鋰金屬為負極的電池，在相同規格下比其他電池容量更高，但不支持充放電。當20世紀70年代石油危機爆發時，科學家們開始研究如何利用鋰的特性來制造高容量和可重復使用的可充電電池。20世紀70年代，斯坦福大學的英國教授斯坦·惠廷翰有了一項重要發現。當使用二硫化鈦和鋰金屬作為電極時，鋰離子可以通過電解質嵌入到層狀二硫化鈦(TiS2)中，從而產生電能。而且整個過程是可逆的，即可以反復充放電，這意味著金屬鋰的電化學優勢終于可以在充電電池中展現出來了！教授也是信心滿滿。在能源巨頭埃克森美孚公司的巨額資金支持下，他的團隊迅速投入到商用可充電鋰離子電池的研發中。這個項目初期非常順利，開發的電池充放電效果符合預期。然而，噩夢很快降臨到懷廷漢姆身上。他萬萬沒有想到，眼前的鋰離子電池，從化學的角度來看是毫無瑕疵的，卻因為一個物理現象而出現了嚴重的缺陷。這種現象說明，隨著電池的反復充放電，電池負極開始生成樹枝狀的鋰晶體，科學上稱之為鋰枝晶。鋰枝晶會通過電解液從電池負極向正極生長，從而刺破電池內部的隔膜，使正負極短路，導致電池熱失控，所以教授的實驗室經常發生鋰離子電池起火事故。而且隨著電池的多次循環，它能儲存的能量越來越少。面對這兩個棘手的問題，最終，他的充電鋰電池以失敗告終，但這一發現為后來開發更安全的鋰離子電池奠定了理論基礎。鋰離子電池的起源第二章:Goodenough發現了優秀的正極材料雖然不是電化學傳奇人物Goodenough首先做出了鋰離子電池，但是如果沒有他，恐怕鋰離子電池的商業化還需要幾年甚至幾十年的時間。當時Goodenough的結論是，Wittingham先生研發的硫化鈦正極材料存在缺陷，即在充電時，鋰離子電池會像負極一樣從正極材料中不斷移動，導致正極材料的掏空和層狀結構的坍塌，從而導致電池不可逆的損壞。如今，這一推論得到了業內的證實。他們發現，在電池中使用鋰鈷氧化物(LiCoO2)和鋰鎳氧化物(NiCoO2)作為正極材料時，在層狀化學結構穩定的前提下，可以將近一半的鋰離子輸送到負極，生成鋰金屬(正極材料)，整個過程是可逆的。這意味著Goodenough研發的鋰電池正極材料，只要能匹配合適的正極材料，就能制造出大容量、長壽命的鋰離子充電電池。但由于維廷漢姆之前對鋰電池的研究以失敗告終，埃克森美孚損失慘重，使得很多美國公司對鋰離子電池不抱希望，以至于Goodenough的研究并不樂觀，甚至其牛津大學也不愿意為鈷酸鋰的發現申請專利。鋰離子電池的故事第三章:阿基拉·吉野直到后來才制造出第一塊鋰離子電池，古德諾的這份研究報告啟發了一位名叫阿基拉·吉野的日本化學家。當時，吉野在日本旭化成公司工作，負責開發鋰離子充電電池。當時，他已經找到了一種極好的充電電池負極材料——石墨。該材料成本低、性能高、結構穩定，是鈷酸鋰正極材料的完美匹配。吉野·亞基拉先生看了Goodenough的研究報告后，利用鈷酸鋰正極材料和石墨正極材料成功制造了世界上第一塊鋰離子電池。這種電池內部沒有危險的金屬鋰，所有的鋰都以離子狀態存在，這使得它比以前以鋰金屬為負極的鋰電池更加安全，因此得名鋰離子電池。最后，吉野先生的團隊通過與索尼的合作，于1991年發布了世界上第一款配備鋰離子電池的“手機”。隨后，鋰電池供電的微型相機、筆記本電腦等電子產品相繼問世。由于鋰離子電池的高能量密度，這些電子設備在相同體積下更加耐用，這在業界引起了不小的轟動。在這方面，鋰離子電池商業化的大門已經打開。至于后面的事情，相信很多人都見證了，隨著鋰離子電池的發展，能量密度越來越高，有助于pers的小型化……手機、筆記本電腦、智能手表等所有電子設備，大大提高了實用性。至此，我們知道Wittingham先生發現鋰離子可以通過電解質嵌入到正極材料的層狀結構中，這啟發了Goodenough先生，使他能夠開發出穩定高效的鈷酸鋰正極材料。吉野·阿基拉先生將鈷酸鋰正極材料與石墨負極結合在一起，為鋰離子電池的商業化帶來了曙光，對未來人類的生活產生了深遠的影響。從這個角度來說，三人的確都可以稱之為鋰離子電池之父，獲得諾貝爾獎實至名歸！2019年10月9日下午，瑞典皇家科學院公布了2019年諾貝爾化學獎得主，分別是約翰·B·古德諾(John B.Goodenough)、M·斯坦利·惠廷翰(M.Stanley Whittingham)和阿基拉·吉野(Akira Schmidt)，以表彰他們在鋰離子電池領域的巨大貢獻。這三位科學家分別來自美國、英國和日本。在他們的共同努力下，他們成功地將鋰離子電池推向了市場，推動了智能手機、筆記本電腦、電動汽車等行業的快速發展。鋰離子電池的起源第一章:維廷漢姆建立了理論基礎。20世紀70年代，全球石油危機爆發。按照當時美國媒體的說法，石油很快就會枯竭，所以急需采用替代能源。作為替代能源，風能和太陽能在當時被廣泛研究。但是這種能量的產生依賴于天氣，導致產生的電能不穩定，這是給電網供電的大忌。因此，需要一種高能量密度的儲能裝置來儲存風力發電機或太陽能電池板產生的電能，然后穩定地輸出到電網。在這種背景下，開發可重復充放電的高性能電池成為當時科學界的一大方向。金屬鋰是元素周期表中直徑最小的金屬，單位體積的密度可以非常高，因此成為電池中的電極材料時可以帶來更高的能量密度。但由于它也是最活潑的金屬，遇到氧氣會發生強烈的化學反應，放出熱量，甚至爆炸，所以控制起來非常困難。20世紀50年代有一種以鋰金屬為負極的電池，在相同規格下比其他電池容量更高，但不支持充放電。當20世紀70年代石油危機爆發時，科學家們開始研究如何利用鋰的特性來制造高容量和可重復使用的可充電電池。20世紀70年代，斯坦福大學的英國教授斯坦·惠廷翰有了一項重要發現。當使用二硫化鈦和鋰金屬作為電極時，鋰離子可以通過電解質嵌入到層狀二硫化鈦(TiS2)中，從而產生電能。而且整個過程是可逆的，即可以反復充放電，這意味著金屬鋰的電化學優勢終于可以在充電電池中展現出來了！教授也是信心滿滿。在能源巨頭埃克森美孚公司的巨額資金支持下，他的團隊迅速投入到商用可充電鋰離子電池的研發中。這個項目初期非常順利，開發的電池充放電效果符合預期。然而，噩夢很快降臨到懷廷漢姆身上。他萬萬沒有想到，眼前的鋰離子電池，從化學的角度來看是毫無瑕疵的，卻因為一個物理現象而出現了嚴重的缺陷。這種現象說明，隨著電池的反復充放電，電池負極開始生成樹枝狀的鋰晶體，科學上稱之為鋰枝晶。鋰枝晶會通過電解液從電池負極向正極生長，從而刺破電池內部的隔膜，使正負極短路，導致電池熱失控，所以教授的實驗室經常發生鋰離子電池起火事故。而且隨著電池的多次循環，它能儲存的能量越來越少。面對這兩個棘手的問題，最終，他的充電鋰電池以失敗告終，但這一發現為后來開發更安全的鋰離子電池奠定了理論基礎。鋰離子電池的起源第二章:Goodenough發現了優秀的正極材料雖然不是電化學傳奇人物Goodenough首先做出了鋰離子電池，但是如果沒有他，恐怕鋰離子電池的商業化還需要幾年甚至幾十年的時間。當時Goodenough的結論是，Wittingham先生研發的硫化鈦正極材料存在缺陷，即在充電時，鋰離子電池會像負極一樣從正極材料中不斷移動，導致正極材料的掏空和層狀結構的坍塌，從而導致電池不可逆的損壞。如今，這一推論得到了業內的證實。他們發現，在電池中使用鋰鈷氧化物(LiCoO2)和鋰鎳氧化物(NiCoO2)作為正極材料時，在層狀化學結構穩定的前提下，可以將近一半的鋰離子輸送到負極，生成鋰金屬(正極材料)，整個過程是可逆的。這意味著Goodenough研發的鋰電池正極材料，只要能匹配合適的正極材料，就能制造出大容量、長壽命的鋰離子充電電池。但由于維廷漢姆之前對鋰電池的研究以失敗告終，埃克森美孚損失慘重，使得很多美國公司對鋰離子電池不抱希望，以至于Goodenough的研究并不樂觀，甚至其牛津大學也不愿意為鈷酸鋰的發現申請專利。鋰離子電池的故事第三章:阿基拉·吉野直到后來才制造出第一塊鋰離子電池，古德諾的這份研究報告啟發了一位名叫阿基拉·吉野的日本化學家。當時，吉野在日本旭化成公司工作，負責開發鋰離子充電電池。當時，他已經找到了一種極好的充電電池負極材料——石墨。該材料成本低、性能高、結構穩定，是鈷酸鋰正極材料的完美匹配。吉野·亞基拉先生看了Goodenough的研究報告后，利用鈷酸鋰正極材料和石墨正極材料成功制造了世界上第一塊鋰離子電池。這種電池內部沒有危險的金屬鋰，所有的鋰都以離子狀態存在，這使得它比以前以鋰金屬為負極的鋰電池更加安全，因此得名鋰離子電池。最后，吉野先生的團隊通過與索尼的合作，于1991年發布了世界上第一款配備鋰離子電池的“手機”。隨后，鋰電池供電的微型相機、筆記本電腦等電子產品相繼問世。由于鋰離子電池的高能量密度，這些電子設備在相同體積下更加耐用，這在業界引起了不小的轟動。在這方面，鋰離子電池商業化的大門已經打開。至于后面的事情，相信很多人都見證了，隨著鋰離子電池的發展，能量密度越來越高，有助于pers的小型化……手機、筆記本電腦、智能手表等所有電子設備，大大提高了實用性。至此，我們知道Wittingham先生發現鋰離子可以通過電解質嵌入到正極材料的層狀結構中，這啟發了Goodenough先生，使他能夠開發出穩定高效的鈷酸鋰正極材料。吉野·阿基拉先生將鈷酸鋰正極材料與石墨負極結合在一起，為鋰離子電池的商業化帶來了曙光，對未來人類的生活產生了深遠的影響。從這個角度來說，三人的確都可以稱之為鋰離子電池之父，獲得諾貝爾獎實至名歸！

標簽：漢發現世紀大發

汽車資訊熱門資訊