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诺贝尔奖授予研制锂离子电池的科学家

  • 时间:2019-10-13 12:24 编辑: 来源:2KB项目 阅读:436
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摘要:左起:美国教授、固体物理学家约翰·古德、英国教授斯坦利·惠廷厄姆和日本化学家吉野明。照片:Daniel Leal-Olivas,Christof Stache,Kazuhiro Nogi/法新社盖蒂图片瑞典皇家科学院周三授予三位科学家2019年诺贝尔化学奖,这三位科学家发

From left:  American professor and solid-state physicist, John Goodenough, British professor Stanley Whittingham and Japanese chemist Akira Yoshino. Photograph:  Daniel Leal-Olivas,Christof Stache, Kazuhiro Nogi/AFP via Getty Images

左起:美国教授、固体物理学家约翰·古德、英国教授斯坦利·惠廷厄姆和日本化学家吉野明。照片:Daniel Leal-Olivas,Christof Stache,Kazuhiro Nogi/法新社盖蒂图片


瑞典皇家科学院周三授予三位科学家2019年诺贝尔化学奖,这三位科学家发明了锂离子电池,这些电池彻底改变了便携式电子产品,很有可能为你现在用来阅读这篇文章的设备提供动力。


更大的电池例子导致电动汽车可以长途行驶,而小型化的电池则被用于心脏除颤器等救生医疗设备。


约翰·B·古德、M·斯坦利·惠廷厄姆和吉野明将分享这个价值约90万美元的奖金。


“锂离子电池就是一个很好的例子,说明化学如何改变人们的生活,”美国化学学会会长邦妮·夏彭蒂尔(BonnieCharpentier)说。“很高兴看到诺贝尔奖承认了这项研究成果。”


这三位研究人员在20世纪70年代和80年代的工作中,发明了功能强大、重量轻、可充电的电池,用于几乎每台智能手机或笔记本电脑,以及数十亿台相机和电动工具。国际空间站上的宇航员依赖他们,从事可再生能源网络工作的工程师们经常求助于他们。


气候变化

通过储存太阳光和风能峰值时产生的电能,锂离子电池可以减少对化石燃料能源的依赖,并有助于减轻气候变化的影响。


“这些电池的开发是一个巨大的进步,这样我们才能真正储存太阳能和风能,”诺贝尔化学委员会主席SaraSnogerupLinse说。古德(97)是德克萨斯大学奥斯汀分校的教授。随着诺贝尔奖的颁发,他成为了最年长的诺贝尔奖得主,但他仍在积极从事研究。惠廷厄姆(77岁)是纽约州立大学宾厄姆顿大学的教授。Yoshino(71岁)是东京的Asahi Kasei公司的荣誉研究员,也是日本名古屋的Meijo大学的教授。他在宣布后表示,他很高兴这项技术能够帮助应对气候变化,称锂离子电池“适合一个可持续的社会”。


自从1800年Alessandro Volta发明了第一个真正的电池以来,科学家们就一直在设法使电子从一个叫做阳极的负极流向一个叫做阴极的正极。伏尔塔通过堆放铜和锌的圆盘,并将它们与浸泡在咸水中的布连接起来。当导线连接到光盘上以完成电路时,电池产生稳定的电流。在随后的几十年里,这些电池的版本为电报和其他设备提供动力。


第一次充电电池出现在1859年。这些产品是用铅制成的,至今仍用于启动汽油和柴油动力汽车。但是铅酸电池又大又重。镍镉电池是1899年发明的,效率较低,但更紧凑.


石油禁运

多年来,电池技术没有取得重大进展。但1973年阿拉伯石油禁运使许多科学家意识到社会对化石燃料的依赖程度。惠廷厄姆当时为埃克森美孚公司工作,他开始寻找更好的方法来储存可再生能源和电动汽车的能源。


他知道锂会成为很好的阳极,因为它很容易释放电子。它的优点也是最轻的金属。所以惠廷厄姆开始寻找高能量密度的材料,并在阴极捕获锂离子-你的电池边有加号。


惠廷厄姆发现,以前从未在电池中使用过的二硫钛具有一种分子结构,可以让锂离子进入小口袋。这导致了第一个功能锂电池。惠廷厄姆说:“这项技术的最大优点是锂离子储存的能量是铅的10倍或镍镉的5倍。”锂离子电池也非常轻巧,几乎不需要维护.“因此,向锂离子转移的动机是巨大的。”


不幸的是,惠廷厄姆的新电池出了问题。当它被反复充电时,金属锂的细链就会从负极中生长出来。有时,这些链会长到阴极,短路电池,并可能导致爆炸。


古德,当时在牛津大学,预测锂离子电池将有更大的潜力,如果阴极是用不同的材料。他注意到氧化钴的结构与二硫化钛相似。它可以忍受锂被推到里面,一次又一次地拉出来。它还使锂离子电池的功率几乎是惠廷厄姆的两倍,现在电池产生了4伏特。


锂离子

在古德的研究成果的基础上,日本朝日开赛公司的吉野表示,更复杂的碳基电极也能在层间容纳锂离子。这完全消除了电池中的纯锂。相反,该系统只使用锂离子,这是更安全的。


这些发展最终导致了另一家日本电子巨头索尼公司(sony corp.)在1991年将锂离子电池商业化。由于锂离子电池的紧凑性和可靠性,这项技术一度成为电子产品中的一种主要动力,其动力主要来自一次性电池,而消费者似乎总是在错误的时间用完这些电池。其中包括收音机、手持游戏设备、笔记本电脑,最终还包括智能手机和可穿戴电脑。


但这项技术也有其缺陷。锂离子电池只有有限的几次才能在变质之前得到补充,并且不能再充电。此外,设计不当的锂离子电池可以变成微型炸弹.一些最大的科技产品召回涉及电池缺陷。2006年,戴尔召回了410万台笔记本电脑电池,因为它们可能会起火。最近,三星电子(SamsungElectronics)召回并停止了旗舰智能手机Galaxy Note 7。


技术专家经常指出锂离子是创新的障碍:虽然电脑芯片的速度每隔几年翻一番,数字显示器变得更加明亮和锐利,但科技公司对电池只做了渐进的改进;除了使电池更大和实施软件算法以提高硬件的效率之外,没有什么可以做的。


解锁太阳

尽管出现了问题,但公司仍然依赖电池,因为电池可以廉价可靠地复制。它们也被放大,以便在更大的环境中使用。通常使用锂离子电池技术的储能技术,被广泛认为是将电网转变为无碳系统和应对气候变化影响所必需的。美国和世界上许多其他地区的电力大部分来自化石燃料来源,主要是天然气,但也来自煤炭。


电池技术有助于取代那些碳排放源,因为它允许电力公司在太阳不发光或风吹时储存多余的太阳能和风能-这是这些无碳能源的弱点。对于电网来说,最关键的是,当人们在夏天下班回家时,打开空调、做饭和洗衣服时,公共事业往往依赖为满足高需求时期而设计的天然气发电厂,即所谓的高峰发电厂,而这些电厂通常比较昂贵。


“锂离子技术令人兴奋的是,它有能力24小时开放太阳,真正帮助可再生能源为我们的未来提供动力,直到现在我们才能捕捉到,”行业集团加州太阳能和存储协会的执行主任贝尔纳黛特·德尔·恰罗(Bernadette Del Chiaro)说。


但是,虽然电池可以成为减少化石燃料使用的解决方案的一部分,但它们也导致了锂的提取和浪费的其他问题。超过一半的锂来自地球深处的盐水开采,特别是在南美洲,其余的仍然是传统上从岩石中开采出来的。这两种方法都对锂加工作业的周围地区造成了环境破坏。随着对锂的需求增加,公司可能会采用能源密集型加热来加速卤水蒸发。一些锂源也可能被过度开采。


填埋场

一旦锂离子电池在电子产品中用完,消费者往往会不恰当地处置它们。根据美国能源部的数据,在美国,锂离子电池被收集和回收的比例不到5%。纽约大学(New York University)化学家亚历克谢·杰斯奎奥(Alexej Jersquw)说:“如果你考虑一下手机中的电池,大部分电池都会被扔掉,最后被扔进垃圾填埋场。”虽然一些生产智能手机和其他设备的公司试图改善它们的回收记录,但拆解电池和移除金属以供再利用则需要另一种高温熔化和萃取过程。“这是不经济的,”杰里科说。科学家们已经试验了新的电力技术,使用替代的方法来补充电池,比如从空气中提取能量或通过无线电信号。但是任何潜在的锂离子接班人都必须经过严格的安全测试才能向公众介绍-“纽约时报”。




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