2019诺贝尔化学奖解读|科学界“村上春树”获奖!他们的“锂电池革命”让我们的生活“足够好”
2019-10-09 23:41

扬子晚报网10月9日讯(记者 杨甜子)2019年诺贝尔化学奖授予美国固体物理学家约翰·巴尼斯特·古迪纳夫、化学家斯坦利·威廷汉和日本化学家吉野彰,以表彰他们在锂电池领域的贡献。记者就此采访了南京大学、南京工业大学的多位教授。所有的受访教授都异口同声:三位教授的获奖是实至名归,尤其是97岁高龄的美国固体物理学家约翰·巴尼斯特·古迪纳夫,“我们都认为,他早就应该得这个奖了。”

他们的研究将锂电池使用变得“足够好”

“诺贝尔化学奖颁发给三位科学家,给多年未获奖的新能源领域打了一支强心针。”南大化学化工学院金钟教授表示,诺贝尔化学奖已经连续两年颁发给了生物化学等领域的研究,此次“足够好”先生(因为名字中有Goodenough,古迪纳夫也被外界幽默地称为“足够好”先生)以97岁的高龄获奖,可以说是众望所归。获奖的锂离子电池研究是以传统电化学为核心,涉及物理、化学、能源、材料等多学科交叉的系统性研究。

南京大学现代工程与应用科学学院能源系教授周豪慎介绍,早期的镍镉电池、铅酸电池等,能量密度较低。上世纪70年代,2019诺奖得主之一,斯坦利·威廷汉采用硫化钛作为正极材料,金属锂作为负极材料,制成了世界上首个新型锂离子电池。

这无疑是移动电源的一大进步,但它存在着不小的隐患,因为金属锂是活性的,因此电池会存在着爆炸的危险。为了解决这个问题,古迪纳夫预测,如果用一种含锂的金属氧化物而不是金属硫化物来制造正极,那么电池将具有更大的电势。1980年,57岁的古迪纳夫发明了锂电池中最重要的部件,钴酸锂正极材料。现在全世界的便携电子设备大多都采用这种正极材料。

此后,日本科学家吉野彰发现负极可以用碳材料来做,不含任何金属。和古迪纳夫发现的正极相配,他在1990年发明了第一个商业上可行的锂离子电池。他没有在负极使用金属锂,而是使用石墨,这是一种碳材料,像正极的钴酸锂一样,可以插入锂离子。1991年,吉野彰和古迪纳夫合作发明的锂离子电池被索尼公司推向市场,标志着锂离子电池的大规模使用。原本板砖一样的“大哥大”不复存在,取而代之的是用上了锂电池,并将零部件一并“瘦身”的轻薄手机。此外,目前的电动汽车技术和移动电子技术,均是基于锂电池蓬勃发展起来,这让我们的生活变得“足够好”起来。

解决了安全问题后,锂电池的未来“会更好”

吉野彰和古迪纳夫合作的合作,让原本爆炸风险较高的锂电池变得安全起来,但读者肯定会问,为啥手机电池自燃或是爆炸的新闻依然偶有见诸报端?金钟解释,新闻中每隔一段时间就会报道手机和电动车的起火燃烧事故,这正是因为锂电池的安全性还不尽人意。可以说,人们对锂离子电池的性能仍没有完全满意,有待于进一步的技术革新,开发一种能量密度高、安全性佳、循环寿命久、对环境没有污染的电池,这正是人们翘首以盼的。

此外,我们对于锂电池充电不够快,容量不够大等生活中常见的“抱怨”,也是锂电池未来发展的方向。周豪慎表示,锂电池的“技术革命”依然在路上,主要有三个方面的革新:电池能量密度、功率密度和安全系数都要努力做得更高。但这三者存在着“鱼和熊掌不可兼得”的问题,因此,97岁的“足够好”老先生古迪纳夫依然坚持在科研一线,正是为了解决这些问题。或许在未来,“超级电池”会成功诞生,锂空气电池,金属电池,锂硫电池这些能量密度比较高的新型电子将会更好地改变我们的生活。

南大一位博士刚刚成为“足够好”的博士后

在南京大学现工院,周豪慎所在的锂电池课题组便是专门从事包括锂离子电池在内的新型电化学储能材料和技术的研究,并且和古迪纳夫课题组保持着交流。

记者了解到,从南大现工院毕业的一位博士,还成功申请到了古迪纳夫课题组的博士后,于今年九月份正式前往美国,开始跟随古迪纳夫教授做博士后。周豪慎教授透露,“昨天这位博士后还和‘足够好’老先生就南大固态锂空气电池的工作进行讨论,并相约开展合作。”

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科学界的“村上春树”:年过九旬依然在上班

今年诺贝尔化学奖除了获奖项目“亲民”以外,另一大看点莫过于97岁获奖科学家的古迪纳夫。在此之前,这个纪录由 96 岁高龄获得 2018 年诺贝尔奖的亚瑟·阿斯金保持。

连续多年的诺贝尔化学奖,“足够好”老爷子都获得提名,但一直处在陪跑状态。“所有人都觉得,老爷子早就该得这个奖项了。”南京工业大学先进材料研究院教授朱纪欣表示,古迪纳夫多次被提名诺贝尔奖,差不多是科学圈的“村上春树”。

在此之前,古迪纳夫已经在磁性材料领域做出了杰出贡献。电化学当时对他而言,属于玩票性质。“早期的电池,放电容量和储能密度都很低。古迪纳夫找到了层状结构的钴酸锂(LiCoO2),作为电池的正极,将除锂之外的金属材料作为阳极,能够实现高密度的能量储存。”这样一来,可充电锂电池才得以商业化。

现在,年过九旬的“足够好”老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。

南京教授眼中的“足够好”:科研高产出,生活上平易近人

记者此次采访的多位教授,都对古迪纳夫并不陌生。南京大学金钟教授告诉记者,目前“足够好”先生仍然在研究新型的储能电池体系,尤其是高安全的固态锂电池。在这些领域,每年都还保持着很高质量的科研产出。

在一些会议上,也不乏他报告的身影。“他为人非常的和善,而且平易近人。他有很多新的想法,一直在突破自己,讲报告的时候条理非常清晰,写的文章不仅提出新概念,也将原理解释得非常清晰。”金钟说,他还教导出了一批又一批的做电池的高手,无论在学术界还是产业界,都有他的弟子们的身影。

在学界,古迪纳夫的“全才”也是足够闻名。从哲学等文科学科“起家”,一直到在锂电池研究等理工科领域卓有建树,古迪纳夫横跨文理科的学习和科研故事已经成为后辈们惊叹的标杆。南大周豪慎教授告诉记者,古迪纳夫还是位特别爱家的先生,生活中很温馨。

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