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诺贝尔化学奖与我们有多大关系?当拿起手机时,我们要感谢这3个

发布时间:2019-11-23 08:09:40
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10月9日,2019年诺贝尔化学奖授予了约翰·古德托(John b . good town)、斯坦利·惠廷汉姆(m. stanley whittingham)和吉野秋田(akira yoshino),表彰他们在锂离子电池领域的贡献。

手机、照相机、电脑和我们周围其他熟悉的物体就是今天的样子,所有这些都离不开锂电池的贡献。例如,20世纪50年代,一部手机重80磅,约72.5公斤,相当于一个七八岁孩子的体重。大部分重量来自手机电池。

自20世纪70年代诞生以来,锂电池因其体积小、能量密度高、可充电等优点,在储能技术中占据了绝对的地位。因此,当我们轻而易举地拿起最熟悉的手机时,我们应该记得感谢以上三位科学家。

锂电池的出现不是偶然的。直到20世纪中叶,石油仍然是人类的主要驱动力。然而,随着燃油汽车数量的大幅增加,石油资源的限制引起了人们的关注,汽车排放的废气成为亟待解决的问题。一些企业的先驱们开始意识到,如果他们想生存,他们必须找到新的能源。

第一步是由石油巨头埃克森公司采取的。除了最初的主要业务外,埃克森美孚开始在基础研究上投入大量资金。该公司招募了当时能源领域一些最重要的研究人员,并给予他们充分的自由去做他们想做的任何事情。

斯坦利·威廷汉姆是许多研究成员之一。1972年,他加入埃克森美孚。斯坦利·威廷汉姆来自斯坦福大学,他的研究兴趣是固体材料。起初斯坦利·威廷汉姆专注于研究超导材料,希望发现新能源材料。他们向二硫化钽中加入离子,并研究了其导电性会受到怎样的影响。他们在一项实验中发现钾离子可以影响二硫化钽的导电性,两者之间的相互作用可以产生惊人的能量。

那时,可充电电池已经上市,但是因为电池的电极含有固体物质,当它们与电解质发生化学反应时会分解。这个过程会损坏电池。斯坦利·威廷汉姆(Stanley Wittingham)发现,他们发现的材料的电压比当时的电池好得多。经过多年的实验和研究,他最终以硫化钛锂为阴极材料,金属锂为阳极材料,制成了一种可在室温下工作的可充电锂电池。

资料来源:瑞典皇家科学院

然而,当生产计划开始实施时,斯坦利·威廷汉姆(Stanley Wittingham)的团队开始遇到困难。他们发现,当电池反复充电时,电池会短路并一次又一次爆炸。其直接后果是消防队被派往他们的实验室一个接一个地灭火。斯坦利·威廷汉姆和其他人也被告知,如果实验室再次爆炸,它将不得不为用于灭火的化学物质付费。

斯坦利·威廷汉姆(Stanley Wittingham)等人在实验后发现,锂电池中使用的电极材料锂是世界上最活跃的元素之一,非常容易燃烧。这些特性使得生产锂电池的技术要求非常高。斯坦利·威廷汉姆(Stanley Wittingham)不得不在金属锂电极中加入铝,两个电极之间的电解质也发生了变化。斯坦利·威廷汉姆和其他人随后开始为一家瑞士钟表制造商进行小规模生产。他们的下一个目标是扩大电池的容量,以便给汽车充电。然而,到了20世纪80年代初,油价大幅下跌,埃克森需要削减成本,相关研究也停止了。

这时,古德已经是牛津大学的无机化学教授了。在此之前,他在麻省理工学院林肯实验室工作了多年。由于林肯实验室是由空军资助的,并且不允许对替代能源进行研究,古德托也加入了进来。

这时,古德沃勒已经知道斯坦利·威廷汉姆(Stanley Wittingham)发明的新电池技术。然而,他的专业知识使他向前迈出了一大步。他认为如果金属氧化物被用作电池的阴极。阴极的电势可以增加。在接下来的一段时间里,他的研究团队一直在寻找合适的金属氧化物,直到找到钴酸锂材料——当钴酸锂材料用于电池的阴极时,电池产生的电压可以增加两倍。另一个关键发现是,电池在生产之前不需要保持在充电状态,但是电池以前是在这种状态下生产的。1980年,古德沃勒(Goodtoy)宣布发现新的轻质阴极材料,但生产的电池性能更强。这被认为是人类进入移动时代的关键一步。这时他已经58岁了。

事实上,古德伊尔对锂电池的研究并没有停止。直到90岁,他仍在努力解决锂电池的枝晶问题。此时,锂电池已经成为主要电子消费品的主要组成部分,但锂枝晶问题一直是锂电行业面临的一个幻影问题。枝晶是由于动态因素在锂金属表面形成的“小毛刺”。随着电池的使用,这些小毛刺会逐渐长大,最终刺破电池正负极之间的隔板,导致短路,最终导致电池自燃。good tower开始投入全固态电池的研究——全固态电池用全新的固体电解质代替原来的液体有机电解池,不仅可以防止枝晶问题的发生,还可以保持电池的储电性能。

日本化学家阿基拉·吉野与斯坦利·威廷汉姆和古德诺分享了诺贝尔奖。吉野·阿基拉是朝日华城的研究员和名古屋明城大学的教授。他的贡献是实现了纯锂与电池的分离,这使得锂电池更加安全,更适合日常生活中的各种应用。完全基于锂离子的锂电池寿命也更长,并且在充电数百次之前,其性能不会下降。1991年,一家日本大公司率先销售锂离子电池,引发了电子行业的一场革命。从那以后,我们手机的尺寸一直在缩小,便携式电脑的出现也变得更加方便。

事实上,当我们从锂电池获得诺贝尔奖时,我们会发现诺贝尔奖看起来“非常困难”,但是它的研究成果已经传遍了我们的生活。诺贝尔奖离我们不远了。例如,2014年诺贝尔物理学奖是为了表彰科学家开发蓝色发光二极管技术——使用蓝色发光二极管技术的产品已经进入数千个家庭来照亮我们。它们也存在于我们的手机和照相机中。此外,1991年诺贝尔化学奖被授予磁共振成像。对我们心脏、大脑和骨骼的各种诊断都依赖于这项技术的出现。

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