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這個諾貝爾化學獎成果就在你我手邊

2019-10-10 09:17:57 | 來源: 科技日報 | 編輯: 高寶 | 責編: 鄭思雯
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【中首圖】這個諾貝爾化學獎成果就在你我手邊

  10月9日,在瑞典皇家科學院,2019年諾貝爾化學獎新聞發佈會現場。新華社記者 鄭煥松攝

  每年諾貝爾化學獎頒布前夕,他的名字都會被列入“預測得獎名單”;每年獎項頒布後,也總會有人問——為什麼今年還不是他?約翰·古迪納夫的姓(Goodenough)挺有意思,翻譯成中文就是“足夠好”,但他簡直是化學獎界的村上春樹。“陪跑”多年,人人都覺得他應該得,但就是一直沒有得——直到今年。

  2019年,諾貝爾化學獎終於給到了鋰電池領域。美國科學家約翰·古迪納夫、英裔美國科學家斯坦利·惠廷厄姆與日本科學家吉野彰共同獲得此獎。

  古迪納夫今年已經97歲,他也刷新了諾獎得主的最高齡紀錄。

  他們找到的材料至今仍是主流

  如果沒有鋰離子電池,出門在外,你恐怕得為手機準備上一打鎳鎘電池,以防它打上幾個電話就宣告罷工。

  鋰離子電池能量密度高、壽命長,沒有記憶效應。憑藉這些優勢,它已經滲透進了人類生活的方方面面。

  當前最常見的鋰電池中,正極為鈷酸鋰材料,負極是碳材料。“從1991年商業化到現在,鋰電池的主流正負極材料沒有太大改變。”上海科技大學物質科學與技術學院助理研究員劉巍說。

  當然,在商業化之前,也有一段漫長崎嶇的道路需要前人摸索。先是斯坦利·惠廷厄姆起草了鋰電池的初始設計方案,硫化鈦為正極材料,金屬鋰為負極材料——這證明是一個可以充放電的電池。

  但人們發現,用金屬鋰做負極,並不安全。解決這一問題的思路在於避免電極中出現金屬鋰。古迪納夫團隊提出和找到了層狀氧化物正極材料——鈷酸鋰。“這一材料至今仍應用在我們各類主流消費類電子產品中。”中國科學院物理所研究員李泓說。

  1997年,古迪納夫已經75歲,他和團隊又開發了另一種更加穩定安全的正極材料磷酸鐵鋰,它是目前電動汽車、電動大巴、電動船舶、大規模儲能、通信基站、數據中心等所用電池的主流材料。“他在鋰電池正極材料方面作了奠基性的貢獻。”李泓強調。而古迪納夫的很多學生,也在鋰電池這一領域繼續開疆拓土,為正極材料和電解質材料的開發作出了卓越的貢獻。“他得到諾貝爾獎是實至名歸,”李泓說,“早就應該得了。”

  但有了正負極材料,並不意味著就能有可用的電池,需要有人將所有這些材料集成為可用的器件。

  日本名古屋市的旭化成公司(Asahi Kasei)研究員、名城大學教授吉野彰,做出了第一個現代商業化鋰離子電池的原型器件。1991年,索尼公司率先將其真正商業化。

  吉野彰也分享了今年的諾貝爾獎。“原始創新不一定只出現在高校實驗室。當基本概念提出後,工程技術方面的創新突破也是最終能否獲得實際應用的關鍵。所以對基礎科學的發展起到了奠基性作用、對技術創新和技術改進起到了關鍵推動作用的成果,都應該獲得諾貝爾獎級的評價。”李泓告訴科技日報記者。 

  已經“足夠好” 還可以更好

  現在,幾乎沒人能說自己離得開鋰電池。它的發明支撐了人類社會高新技術的不斷發展。

  實際上,從鋰電池早期概念的提出到商業化再到不斷繼續發展,大量的科學家、工程師都作出了貢獻。諾貝爾獎授予的這3個人,做出了最為奠基性的成果。“獎項給了這3位優秀的科學家,是對鋰電池為人類社會技術進步貢獻的認可,也是對所有為推動這一領域發展作出貢獻的科學家和工程師的認可,而未來鋰電池的影響還會不斷持續。”李泓說。

  現在的科研人員也在研發新的正負極材料,但還不夠主流。“畢竟,要找到新的材料並且將之真正應用,並不容易,而且耗時漫長。”劉巍說。

  她介紹,現在比較好的發展方向,是固態鋰電池,它的性能有望更好,而且更安全。傳統鋰電池用的是液體電解液,它容易燃燒。換成固體,便能解決這一問題。各國都在大力發展這一方向,不過固態鋰電池尚處在實驗室探索和初步商業化階段。

  古迪納夫依然走在他開創領域的前沿,也在進行全固態電池的研究。是的,他還活躍在研究一線。近期,古迪納夫還在期刊上刊文,回顧了可充電鋰電池的歷史。

  鋰電池技術也在進一步發展。

  李泓說,科研人員和工程師們,努力在讓目前的鋰離子電池能量密度更高,充放電速度更快,更安全,更長壽。總之,用各種創新的方法去提升和優化鋰電池的性能,讓它們可以用到更多、更廣闊的場景中去,在更極端條件下,也能發揮作用。

  得獎的3人,是鋰離子電池領域最早的一批科學家和工程師,而更多的後來者,也正在繼續前行。(張蓋倫)

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