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就在你我身边的诺贝尔化学奖成果

2019-10-10 09:49:42 来源:科技日报

每年诺贝尔化学奖颁布前夕,他的名字都会被列入“预测得奖名单”;每年奖项颁布后,也总会有人问——为什么今年还不是他?约翰·古迪纳夫的姓(Goodenough)挺有意思,翻译成中文就是“足够好”,但他简直是化学奖界的村上春树。“陪跑”多年,人人都觉得他应该得,但就是一直没有得——直到今年。

2019年,诺贝尔化学奖终于给到了锂电池领域。美国科学家约翰·古迪纳夫、英裔美国科学家斯坦利·惠廷厄姆与日本科学家吉野彰共同获得此奖。

古迪纳夫今年已经97岁,他也刷新了诺奖得主的最高龄纪录。

他们找到的材料至今仍是主流

如果没有锂离子电池,出门在外,你恐怕得为手机准备上一打镍镉电池,以防它打上几个电话就宣告罢工。

锂离子电池能量密度高、寿命长,没有记忆效应。凭借这些优势,它已经渗透进了人类生活的方方面面。

当前最常见的锂电池中,正极为钴酸锂材料,负极是碳材料。“从1991年商业化到现在,锂电池的主流正负极材料没有太大改变。”上海科技大学物质科学与技术学院助理研究员刘巍说。

当然,在商业化之前,也有一段漫长崎岖的道路需要前人摸索。先是斯坦利·惠廷厄姆起草了锂电池的初始设计方案,硫化钛为正极材料,金属锂为负极材料——这证明是一个可以充放电的电池。

但人们发现,用金属锂做负极,并不安全。解决这一问题的思路在于避免电极中出现金属锂。古迪纳夫团队提出和找到了层状氧化物正极材料——钴酸锂。“这一材料至今仍应用在我们各类主流消费类电子产品中。”中国科学院物理所研究员李泓说。

1997年,古迪纳夫已经75岁,他和团队又开发了另一种更加稳定安全的正极材料磷酸铁锂,它是目前电动汽车、电动大巴、电动船舶、大规模储能、通信基站、数据中心等所用电池的主流材料。“他在锂电池正极材料方面作了奠基性的贡献。”李泓强调。而古迪纳夫的很多学生,也在锂电池这一领域继续开疆拓土,为正极材料和电解质材料的开发作出了卓越的贡献。“他得到诺贝尔奖是实至名归,”李泓说,“早就应该得了。”

但有了正负极材料,并不意味着就能有可用的电池,需要有人将所有这些材料集成为可用的器件。

日本名古屋市的旭化成公司(Asahi Kasei)研究员、名城大学教授吉野彰,做出了第一个现代商业化锂离子电池的原型器件。1991年,索尼公司率先将其真正商业化。

吉野彰也分享了今年的诺贝尔奖。“原始创新不一定只出现在高校实验室。当基本概念提出后,工程技术方面的创新突破也是最终能否获得实际应用的关键。所以对基础科学的发展起到了奠基性作用、对技术创新和技术改进起到了关键推动作用的成果,都应该获得诺贝尔奖级的评价。”李泓告诉科技日报记者。

已经“足够好”,还可以更好

现在,几乎没人能说自己离得开锂电池。它的发明支撑了人类社会高新技术的不断发展。

实际上,从锂电池早期概念的提出到商业化再到不断继续发展,大量的科学家、工程师都作出了贡献。诺贝尔奖授予的这3个人,做出了最为奠基性的成果。“奖项给了这3位优秀的科学家,是对锂电池为人类社会技术进步贡献的认可,也是对所有为推动这一领域发展作出贡献的科学家和工程师的认可,而未来锂电池的影响还会不断持续。”李泓说。

现在的科研人员也在研发新的正负极材料,但还不够主流。“毕竟,要找到新的材料并且将之真正应用,并不容易,而且耗时漫长。”刘巍说。

她介绍,现在比较好的发展方向,是固态锂电池,它的性能有望更好,而且更安全。传统锂电池用的是液体电解液,它容易燃烧。换成固体,便能解决这一问题。各国都在大力发展这一方向,不过固态锂电池尚处在实验室探索和初步商业化阶段。

古迪纳夫依然走在他开创领域的前沿,也在进行全固态电池的研究。是的,他还活跃在研究一线。近期,古迪纳夫还在期刊上刊文,回顾了可充电锂电池的历史。

锂电池技术也在进一步发展。

李泓说,科研人员和工程师们,努力在让目前的锂离子电池能量密度更高,充放电速度更快,更安全,更长寿。总之,用各种创新的方法去提升和优化锂电池的性能,让它们可以用到更多、更广阔的场景中去,在更极端条件下,也能发挥作用。

得奖的3人,是锂离子电池领域最早的一批科学家和工程师,而更多的后来者,也正在继续前行。(记者 张盖伦)

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