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化學諾獎解讀:鋰離子電池,“足夠好”!

五度易鏈 2019-10-10 1887 0

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從工作到生活,從閱讀到游戲,手機、筆記本電腦等便攜式移動電子設備的運轉,都依賴于鋰電池。這項發明如同一道光,照亮了人類生活“說走就走”的旅程。

作者:甘曉 馮麗妃 高雅麗 程唯珈 來源:中國科學報

從工作到生活,從閱讀到游戲,手機、筆記本電腦等便攜式移動電子設備的運轉,都依賴于鋰電池。這項發明如同一道光,照亮了人類生活“說走就走”的旅程。

北京時間10月9日下午,2019年諾貝爾化學獎揭曉。美國得克薩斯大學奧斯汀分校機械工程和材料科學教授約翰?B?古迪納夫(John B. Goodenough)、美國紐約州立大學賓厄姆頓大學特聘教授M?斯坦利?威廷漢(M. Stanley Whittingham)和名古屋明治大學教授吉野彰(Akira Yoshino)分享了這一獎項,以表彰其在鋰離子電池的發展方面作出的貢獻。

化學獎夠化學嗎?

近幾年,諾貝爾化學獎經常被戲稱為“理綜獎”,今年的鋰電池,應該算是夠“化學”的一次頒獎了。

中國科學院院士、南開大學副校長陳軍說:“這次獲獎可以說是眾望所歸。鋰離子電池研究屬于化學領域,三位科學家圍繞材料化學的科學問題開展工作。化學獎頒給鋰離子電池,將極大推動化學學科和相關交叉學科的發展。”

其實,這次獲獎的原創成果要追溯到20世紀70年代,他們三個人開創了鋰離子電池從基礎研究到產業化的路徑。

古迪納夫和威廷漢都在鋰離子電池正極材料方面做了基礎研究。威廷漢指出二硫化鈦是能作為正極的新一代固體材料,古迪納夫及團隊表明鈷酸鋰(LiCoO2)能成為鋰電池的正極材料;而吉野彰與其同事則使用聚乙炔(polyacetylene)作為鋰離子電池負極材料,并取得了成功。1985年,吉野彰利用鈷酸鋰和聚乙炔分別作為正極和負極,制造出了第一塊現代鋰離子電池,并于1991年投入市場應用。

“事實上,5年前我就在想,鋰離子電池應該獲獎了。它從基礎研究到產業,對現代人類社會的信息化、移動化、智能化都起了很大的作用。”陳軍說。

“足夠好”有多好?

古迪納夫以97歲的高齡,成為了年紀最大的諾獎獲得者。由于自己的英文名字,他在中國被大家親切地稱為“足夠好”先生。不過大家好奇的是,“足夠好”先生“好”在哪里?

中科院化學研究所研究員辛森于2015年8月中旬到得州大學奧斯汀分校,今年5月回國,期間一直在古迪納夫的實驗室做博士后。“我們的每一篇文章都是他親手改的。我還有他的手稿,改完之后,他會決定投哪個雜志,會給你建議,但最終他會聽取你的意見。他是思想開明的導師。”

“我們組的研究特征是偏實用化,但仍以基礎研究為主。古迪納夫平時只要沒事,就會出現在辦公室。”辛森說。

在辛森的印象中,大家可以隨時找古迪納夫聊天,每個跟他相處的人都會覺得非常愉快。

“他對博士后也沒有特別多的要求,就是希望大家把日子過好、把學業做好。”辛森說。

2008年,第十四屆國際鋰電池會議在天津舉辦,剛回國不久的陳軍作為大會秘書,負責接待威廷漢。在他的印象中,威廷漢為人和藹,喜歡中國美食,愛吃咕咾肉;在學術上,他對鋰電池有無窮的興趣。

“我在日本時,曾做過MoS2儲氫的研究,回國后開展TiS2儲鎂研究。當我跟他提起TiS2,威廷漢眼睛一亮,跟我說了很多當初儲鋰的相關科研內容,還跟我談到了為什么TiS2作為正極固體材料沒有產業化的原因。”陳軍說。

中國航天科技集團上海空間電源研究所研究員、副總工程師湯衛平與吉野彰的交流相對較多。這位打眼看上去并不很顯眼的老人,對研發工作經常說的一句話就是:“思路要柔軟,工作要執著”。

2017年,吉野彰來上海參加一次學術會議,感慨中國車用鋰電池發展之迅猛。同時,他還表示:“盡管技術千變萬化,但與之相對應的科學研究并非一日之功,在快慢之間尋求平衡與突破才是科技的真正要義。”

“我想,除了他們的智慧外,執著是三位身上都具備的品質。古迪納夫今年97歲,吉野彰今年71歲,都還堅持在科研第一線。”湯衛平說。

未來,路在何方?

這次諾貝爾化學獎頒發給鋰電池,無異于為相關的研究人員打了一劑“強心針”。

陳軍說:“鋰電池的基礎研究,國際上公認是美國領先,日本產業化做得最好。這些年中國培養了一批從基礎研究到產業化開發的人才隊伍,整體水平也步入國際先進行列。”

武漢大學化學與分子科學學院教授曹余良認為,我國鋰電池產業規模世界最大,未來中國鋰離子發展的重點應是如何把技術做得更好、產業做得更加完善。

陳軍表示,鋰電池的研究核心是正極、負極材料以及膈膜,它正朝著高容量、金屬化、固態化等方向發展。

辛森說:“當前,鋰電池能量密度要不斷往上做,就相當于在相當有限的空間內塞入更多的鋰離子。但是,金屬鋰是堿金屬,本身化學性質很活潑,肯定會帶來一些安全上的不確定性。怎么去穩定正極和負極的化學安全性,這是鋰離子電池未來要做的一個重點。”

辛森表示,鋰屬于稀土資源,并不具備資源優勢,因此除了鋰電池之外,還應當做一些其他電池資源的開發,比如鈉離子電池。

“客觀來講,鋰電池性能還沒有達到電動汽車和大規模儲能的要求。呼喚新的材料與體系,這也是下一步以及未來十年國內追趕的方向。”陳軍說。


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