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2019诺贝尔化学奖-锂离子蓄电池胜出

2019-10-10


回顾过去六七十年间的科技飞跃:脊髓灰质炎疫苗,宇宙飞船,阿帕网(互联网前身)等等。除了这些,还有两项发明对经济和社会发展影响深远。如果没有这项发明,世界各地人们的生活都将完全不同。

 

第一项重大发明是1947年诞生于贝尔实验室的晶体管。它的出现改变了电子产品,奠定了全球经济和现代文明的基础。第二项发明是锂电池。1991年索尼公司开始商业化生产锂电池,随后锂电池产品逐渐取代了依赖晶体管的笨重电子设备。

 

和晶体管不同的是,尽管许多人都认为锂电池应该获诺贝尔奖,它的发明者迟迟没有得到诺奖的垂青。锂电池拓宽了晶体管的应用范围。如果没有锂电池,就不会有智能手机,平板电脑和笔记本电脑,以及你现在阅读这篇文章所用的设备。当然也不会出现苹果、三星、特斯拉等公司

 

1980年,57岁的物理学家 Goodenough 他发明了锂电池中最重要的部件,钴氧化物阴极。现在全世界的便携电子设备都采用这种阴极。

 

现在,年过九旬的 Goodenough 先生仍每天都去德克萨斯大学奥斯汀分校的小办公室上班。对此他解释道,我的工作还没有完成。在钴氧化物阴极发明35年后,电动能源汽车在价格上仍然不能与传统的内燃机汽车竞争。而太阳能和风能发电的储存成本太高,只能立即使用。我们的前景不容乐观:虽然现在石油价格低廉,但根据商品价格波动周期规律,其价格必然会上升;同时气候变化问题也愈演愈烈。

 

简而言之,世界需要超级电池。Goodenough 说:“不然的话,我只能说未来我们将通过战争来争夺最后的能源,全球变暖也会发展到不可控制的地步。”

 

好消息是 Goodenough 正和博士后助手们研究一个新想法。他说:“我想在去世前解决这个问题,我才九十多岁,还有时间。”

 

 
电池研究的土壤

电池是使带电离子在两个电极间定向移动的装置。电荷定向移动产生电流供应电器工作。

 

制作电池需要两个电极,离子在电极之间移动。电极之间的电解质溶液作为离子移动的介质。帯负电的电极为阳极,帯正电为阴极。当电池放电(如为电器供电)时阳离子从阳极到阴极运动产生电流。可充电电池在外接电源充电的过程中,阳离子重新回到阳极储存电能。

 

几乎所有电池设计最后都归结到阳极、阴极及电解质材料的选择。它们决定了电池的储电能力和放电速度

 

早在1859年,Gaston Planté 就发明了铅酸电池(使用铅电极和硫酸电解液)。二十世纪早期,使用铅酸电池的电动汽车性能似乎优于使用汽油的内燃机汽车。内燃机噪音很大而且很脏,启动时还要摇动沉重的手柄。相比之下,电动汽车容易操作而且安静。然而,汽车电子打火装置等一系列发明使内燃机逐渐占据优势。几十年来,很少人认为电动汽车会取代内燃机汽车。

 

商业创新使用电能替代内燃机的想法卷土重来。世界各地的研究者争相研究电池,希望成为下一个福特。那时还在MIT工作的 Goodenough 说,一切突然发生了改变,电池的研究不再无聊了。这种狂热持续到了下个十年,并随着阿拉伯石油禁运的影响变得越发高涨。

 

电能重新回到了舞台,Goodenough 也加入了竞争。在之后的二十年里,他发明或参与发明了现代电池发展中几乎所有的主要成果