97岁科学家因锂电池研究获化学奖
诺贝尔奖诞生最高龄得主:越老越有创造力
2019-10-10 09:01 来源: 中央纪委国家监委网站

北京时间10月9日下午17时45分许,瑞典皇家科学院宣布,将2019年诺贝尔化学奖授予约翰·B·古迪纳夫(John B. Goodenough),M·斯坦利·威廷汉(M. Stanley Whittingham)和吉野彰(Akira Yoshino),以奖励他们在锂离子电池方面做出的卓越贡献。三位获奖者将共同分享900万瑞典克朗的奖金。

(图片来源:nobelprize.org)

我们早已经生活在一个“可充电的世界”,每个人每一天都在手机和电脑上花费大量的时间,如果没有锂电池的诞生,这些都无法想象。

这种重量轻、可充电、功能强大的电池现在被广泛应用于从手机到笔记本电脑和电动汽车等各个领域。它在全球范围内用于为便携式电子设备供电,我们使用这些便携式电子设备通讯、工作、学习、听音乐和学习知识。锂电池还促进了远程电动汽车的开发以及来自可再生能源(例如太阳能和风能)的能量存储,使一个无化石燃料的现代社会变成了现实。

(图片来源:nobelprize.org)

假如没有锂电池,你的手机就“炸了”

锂离子电池的基础是在上世纪70年代的石油危机期间奠定的。20世纪70年代,美国爆发石油危机,政府意识到对石油进口的过度依赖性,开始大力发展太阳能和风能。但由于太阳能和风能的间歇性特点,最终还是需要可充电电池来储存这些可再生的清洁能源。

M·斯坦利·威廷汉开始研究超导体,致力于开发可能导致无化石燃料的能源技术的方法。他在纽约起草了锂电池的初始设计方案,硫化钛作为电池的阴极材料,电池的阳极部分则由金属锂制成。

但金属锂是元素周期表上最活泼的元素之一,除了极易燃烧,甚至与最“内向”的氮气也能发生反应。这样的特性造成了锂电池最初在生产组装过程中的极大困难:稍有不慎泄进了空气,轻则电池报废,重则起火燃烧。锂金属表面还会形成一些看不见的“小毛刺”——枝晶(Dendrite)。而随着电池的频频使用,这些枝晶会越长越大,最终会刺破电池正负极之间的隔膜,造成短路,最终引起电池自燃。

(图片来源:internapcdn.net)

约翰·B·古迪纳夫预测,如果使用金属氧化物而不是金属硫化物制成阴极,则阴极将具有更大的潜力。经过系统的搜索,1980年,到了牛津四年后,他证明了嵌入锂离子的氧化钴可以产生多达4伏的电压。锂电池钴氧化物阴极材料成为一项重大的突破。这是世界上第一个可以给大型复杂设备供电的锂离子电池,质量远超市场上其他电池。

吉野彰以古迪纳夫的阴极材料为基础,于1985年创建了首个商业上可行的锂离子电池。他在阳极中使用了石油焦炭,这种碳材料像阴极的氧化钴一样可以嵌入锂离子中。这造就了重量轻,坚固耐用的电池,在其性能下降之前可以充电数百次。这种在锂电池基础上发展而来的锂离子电池,优点在于并非是基于分解电极的化学反应,而是基于锂离子在阳极和阴极之间来回流动。

自从1991年首次进入市场以来,锂离子电池就彻底改变了我们的生活。它们奠定了无线、无化石燃料社会的基础,极大地推动了人类社会的发展。

当之无愧的“锂离子电池之父”

今年的三位获奖者之中,最引人瞩目的无疑是有史以来年龄最大的诺奖得主——97岁高龄的约翰·B·古迪纳夫。此前,这个纪录由96岁获得2018年诺贝尔物理学奖的阿瑟·阿什金(Arthur Ashkin)保持。

(图片来源:tecteschi.com)

电池世界里的传奇人物古迪纳夫出生于1922年7月25日,本科毕业于耶鲁大学数学系。毕业后,二战爆发,他加入了美国空军,不过没当成飞行员,而是被派到太平洋的一个海岛上收集气象数据。23岁退役的他,选择去芝加哥大学读物理博士,和杨振宁先生做了同学,研究方向是固体物理。到了那里,一名教授警告他,说他年龄已经太大,不太可能在这个领域取得成功。在接下来的日子里,古迪纳夫几乎是身体力行反驳了这一说法,证明了在科研领域这条漫长的道路上,有些人实际上是随着年岁渐长而变得更有创造力。

古迪纳夫后来成为牛津大学无机化学实验室主任时已经54岁,这一年,他才刚刚把目光转向了电池。

(图片来源:uchicago.edu)

待到57岁时,他发现了钴酸锂材料,解决了锂电池初期容易产生枝晶导致爆炸的难题。牛津大学有65岁强制退休的政策,为了继续从事科研事业,1986年,古迪纳夫从牛津大学退休后,受聘于美国德州大学奥斯汀分校机电工程学院担任终身教授,研发了固体氧化物燃料电池(SOFC)的新型电解质和电极材料,并且对电子从集中变为流动的交互行为物理现象做出了解释,继续从事科研直到今天。

75岁时,他又做出了新材料磷酸铁锂,从而加快了锂离子电池的商业化。磷酸铁锂是目前安全性最高、充放电性能好、廉价、对环境无污染,具有优异的电池循环寿命、安全性、低自放电(库存存放寿命非常长),相形之下,传统镍氢、镍镉电池黯然失色。

壮心不已,不断前行

虽然名字叫“足够好(Goodenough)”,但古迪纳夫却永远不满足停留于现在,一直朝着更远的方向不断前进。中国人常说“人生七十古来稀”,而古迪纳夫直到90岁,这位壮心不已的科学家也仍然没有停下在科研路上创新的脚步,他又将目光瞄准了更安全廉价的全固态电池。

一些同事曾对他能取得成功表示怀疑。但古迪纳夫并未因此退却。“活到这个岁数,我已经明白了不能对新想法存有偏见的道理。要想得到一些新东西,你必须测试所有的可能性。”

古迪纳夫94岁的时候,他带领的研究团队成功研制了一种使用玻璃态电解质的固态电池,这种新电池使用碱金属作为阳极,能将原先的液态有机电解质换成一种全新的固态电解质。固态电解质不仅能够提升原有的储电性能,还能防止枝晶问题的产生。

在同年接受《纽约时报》的专栏作者佩根·肯尼迪(Pagan Kennedy)采访时,古迪纳夫这样说道:“我们中有些人就像是乌龟,走得慢,一路挣扎。但这些乌龟必须继续爬下去。”

他的科研人生从固体物理学起步,后又辗转化学和材料学领域,作为帮助了锂电池诞生的人,他将注意力集中在解决污染问题和淘汰石油燃料的使命上,致力于重塑更绿色更高效的电池。“这种贯穿一生的爬行有可能带来好处,尤其是在你辗转穿越不同领域,一路收集各种线索的情况下,你得有相当多的经验,才能把不同的想法融汇在一起。”

97岁高龄的古迪纳夫在Nature Electronics上刊文,回顾了可充电锂离子电池的发明历史,为电池的未来发展指明了道路。图为商业锂离子电池正负极材料的示意图、主要发明人、发明时间。(图片来源:知乎)

如今,97岁高龄夺得诺奖的古迪纳夫,仍然在科研道路上前进着,他的下一个目标是一种真正能让电动汽车和内燃机汽车匹敌的超级电池,并希望这种电池可以经济地存储风能和太阳能。

没有人可以肯定古迪纳夫还将继续成功下去,只是他还没放弃。超级电池的研制确实更难。但古迪纳夫认为,每个人都应该不断地尝试突破。他指出,在毁灭性的能源危机和环境问题来临之前,我们还有30年的时间研发新电池并使之商业化。他认为时间足够了。

当然,古迪纳夫很可能解决这个问题。就像他92岁时曾说的那样:我还有许多的时间。

责任编辑:   何春子