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没有他们仨你的手机出不了门 锂电池发明人获诺奖

人间四月天 每日经济新闻 630 0

摘要:  如果要评选改变当今世界的发明之一,锂离子电子绝对占有一席之地。据诺贝尔奖官网消息,北京时间9日晚,瑞典皇家科学院将2019年诺贝尔化学奖授予John B. Goodenough(约翰・B・古迪纳夫)、

如果要评选改变当今世界的发明之一,锂离子电子绝对占有一席之地。

据诺贝尔奖官网消息,北京时间9日晚,瑞典皇家科学院将2019年诺贝尔化学奖授予John B. Goodenough(约翰・B・古迪纳夫)、M. Stanley Whittingham(M・斯坦利・威廷汉)和Akira Yoshino(吉野彰)。三人将均分900万克朗奖金。三位科学家发明了轻便的可携带电池,让人们可以在车和手机中使用,开启了电子设备便携化进程。

图片来源:诺贝尔奖官方推特

锂离子电池有多重要?小到你现在用来看这篇新闻的手机,大到电脑、相机、无人机,甚至电动汽车,它们的背后都靠锂离子电池在支撑。特斯拉创始人马斯克曾表示,“对特斯拉来说,电池未来可能是比电动车更大的生意。”

迟来的荣耀

2019年诺贝尔化学奖获得者、97岁的约翰・B・古迪纳夫是美国得州大学奥斯汀分校机械工程系教授、著名固体物理学家,是钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂正极材料的发明人,锂离子电池的奠基人之一,通过研究化学、结构以及固体电子/离子性质之间的关系来设计新材料解决材料科学问题,被业界称为“锂电池之父”。

由于英文名为“Goodenough”,古迪纳夫在微博上被网友称为“足够好”先生。

英国《卫报》称,古迪纳夫是至今为止获得诺贝尔奖的最年长获奖者。

图片来源:得州大学奥斯汀分校官网

M・斯坦利・威廷汉是一位化学教授,也是纽约州立大学宾汉姆顿大学材料研究所和材料科学与工程专业的主任。1970年代,在埃克森美孚电池技术试验室工作的威廷汉首先发现了功能性锂电池。

1980年,古迪纳夫采用金属氧化物和更高的4V材料对威廷汉的发明进行了改进,另外索尼的研究人员开发了新型安全的阳极电池设计,所有这些改进使性能大幅提高,为批量生产铺平道路。1984年,埃克森美孚在日本的关联公司东燃化学发明了聚乙烯生产的微孔自动关闭锂离子电池隔膜。这些发明帮助索尼1991年在日本推出了首个消费型手机锂离子电池。

吉野彰是一位日本化学家,现任旭化成研究员、名古屋明城大学教授。吉野是现代锂离子电池的发明者,实现了把纯粹的锂从电池中剥离出来,在锂离子的基础上开发了新的锂电池,将电池变得更加安全、更适合日常生活中的各种应用。

与众多日本科技学者的经历有些类似,吉野彰只服务过一家公司――旭化成。1970年3月,吉野彰从京都大学工学部石油化学专业毕业,随后的2年继续攻读了同校的工学研究专业并顺利在1972年4月入职旭化成株式会社。

1980年,旭化成成立了宫崎电子株式会社(现在的旭化成电子株式会社),从而正式切入电子元件产业,这对于入行8年的吉野彰来说也是人生的一大际遇,吉野彰2017年曾接受第一财经采访,他表示, “现在的锂电池形状是在这个5年之后即1985年发明的,随后进行了各种各样的产品技术开发。”

吉野彰的电池 图片来源:诺贝尔奖官网

他说,自己感触最深的也是那一年,当时摄像机对锂电池的需求被突然放大,全世界每个月能卖到100万台左右,“难以想象的是,如今摄像机用电池市场也只能占锂电池所有需求的1%,这也说明在30多年的时间中这一技术发展的速度高达100倍。从智能手机、电脑再到电动汽车,由于锂电池的产生,这些科技产业也有机会获得惊人的成长。”

1991年,在日本电信公司NTT的技术支持下,索尼和旭化成商业化了第一款钴酸锂电池,自此开启了锂电池的大时代。因为索尼的合作项目,吉野彰和古迪纳夫结下深厚友谊。据称吉野彰每年都会去德州拜访古迪纳夫。

古迪纳夫也不畏高龄,仍然在继续从事能源方面的研究。古迪纳夫希望能研发出高能量密度、高安全性的固态电池,从而解决人类潜在的能源危机。他在前几年接受采访时还表示:“我想在去世前解决这个问题,我才九十多岁,还有时间。”

改变世界的锂电池

小型、商用化的锂电池,是索尼在1991年首先推出的。这种小型锂电池被普遍用于笔记本电脑、数码相机以及智能手机等数码产品。

人们对锂电池的认识,更多是功能手机时代那个可以拿出来充电的小长方形电池。进入智能手机时代,锂电池被镶嵌在手机里面,锂电池开始变得神秘起来。

从构造上看,锂电池由电芯和外面的电池保护系统组成。电芯被称为锂电池“心脏”,含有正负极材料、电解液、隔膜层以及外壳,外面是电池的保护系统。电芯的负极材料是石墨,正极材料为锰酸锂、钴酸锂等锂分子的材料,正极决定电池的能量。

隔膜层把正负极材料完全区隔开来,一旦正负极直接接触,就会发生电池短路,乃至电池起火爆炸。

通俗一点的说,隔膜层像一张纸,不断折叠在小小的电池盒里,隔膜层里充满了正负极材料和电解液。充电时,外来的电场把正极材料里面锂分子激活赶到负极存储在石墨碳结构的空隙里,驱赶的锂分子越多存储的能量就越大;放电时,把负极里面的锂离子赶到正极,锂离子又变成了原有正极材料里的锂分子。如此循环往复,充电放电。

在当时,旭化成公司开发的锂电池并不好卖,一段时间内几乎无人问津,突然有一天销路被打开了,那是1995年微软发布了Windows95。也就是在那之后,锂电池引领了全球的抢购风潮。而吉野彰及一批科学家的新成果,也获得了来自世界各地学会和专家们的共鸣。

2017年,吉野彰表示,“就锂电池本身而言,现在主要应用在两大领域:一是移动式产品,如手机、电脑,占锂电池使用量的2/3左右;第二大领域便是车载电池。世界变化的速度实在太快了,根据我们2010年掌握的数据统计,当时车载用锂电池几乎是零,现在则要达到30%多,以后这一比例可能还会不断增加。电动汽车的出现,等于给锂电池打开了一个新的应用方向,是全新的商业机遇。”

中国锂电池军团近年来的突围让吉野彰印象深刻。“比亚迪(行情002594,诊股)、宁德时代(行情300750,诊股)等企业都有着非常强劲的动力,技术层面上也很乐观。”

现在锂电池领域的问题是,消费者既希望智能手机轻薄时尚、屏幕大,又要求手机续航能够够长,起码要支持一天续航。这就促使手机厂商,寻求能量密度更高的电池。据澎湃新闻报道,武汉理工大学教授、新能源汽车检测与控制研究所所长谢长君称,锂电池诞生至今,技术上没有非常大的革新,日韩、美国和中国的目标是,2020年把锂电池能量密度提升至300WH/Kg。产业界还是围绕提高电池能量密度做文章。

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