镍氢电池的发明者,镍氢电池的原理及特点

首页 > 游戏 > 作者:YD1662024-01-16 18:44:30

北京时间10月9日下午5点45分许,瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布,将2019年度诺贝尔化学奖授予美国得州大学奥斯汀分校John B Goodenough教授、纽约州立大学宾汉姆顿分校M.stanley Whittlingham教授和日本化学家Akira Yoshino,以表彰其在锂离子电池的发展方面作出的贡献。

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他们创造了一个可再充电的世界。

2019年诺贝尔化学奖用于奖励锂离子电池的发展。这种重量轻、可再充电且功能强大的电池,如今被用于从手机到笔记本电脑和电动汽车的各个领域。它还可以储存大量来自太阳能和风能的能源,使一个无化石燃料的社会成为可能。

全球都在使用锂离子电池来为我们用于交流、工作、学习、听音乐和搜寻知识的便携式电子设备提供动力。锂电池还使远程电动汽车的发展和太阳能、风能等可再生能源的储存成为可能。

锂离子电池的基础是在20世纪70年代的石油危机期间奠定的。Stanley Whittingham致力于开发可以实现无化石燃料能源技术的方法。他开始研究超导体,并发现了一种能量极其丰富的材料。Whittingham用这种材料在锂电池中制造了一种创新性的阴极。这是由二硫化钛制成的。它在分子水平上拥有可容纳插入式锂离子的空间。

John Goodenough曾预测,如果用一种金属氧化物而不是金属硫化物来制造阴极,那么它将具有更大的潜力。经过系统的研究,他在1980年证明,嵌入锂离子的氧化钴以产生高达4伏特的电压。这是一个重要的突破,将带来更加强大的电池。

以Goodenough的阴极为基础,Akira Yoshino在1985年创造了第一个商业上可行的锂离子电池。他没有在阳极使用活性锂,而是利用了石油焦。石油焦是一种碳材料,像阴极的钴氧化物一样,可插入锂离子。

由此带来的是一种重量轻、耐磨的电池。这种电池在性能恶化之前可以充电数百次。锂离子电池的优点是,它们不是基于分解电极的化学反应,而是基于锂离子在正极和负极之间来回流动。

自1991年首次进入市场以来,锂离子电池已经彻底改变了我们的生活。它们为无电线、无化石燃料的社会奠定了基础,并为人类带来了最大的福祉。

约翰·巴尼斯特·古迪纳夫(John B. Goodenough),美国固体物理学家,因为发明可充电锂离子电池而闻名于世。1979年古迪纳夫发现,将钴酸锂(LiCoO2)作为电池的阴极,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。这一发现为锂离子电池的发展铺平了道路,促成了可充电锂离子电池的广泛应用。1983年,古迪纳夫、M.Thackeray等人发现锰尖晶石是优良的电池阳极材料。锰尖晶石具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能。其分解温度高,且氧化性远低于钴酸锂,即使出现短路、过充电,也能够避免了燃烧、爆炸的危险。1989年,古迪纳夫、A.Manthiram发现采用聚电解质(例如,硫酸盐)的阳极将产生更高的电压,原因是聚电解质的电磁感应效应。此外,他还与日本学者金森顺次郎共同提出“古迪纳夫-金森法则”(Goodenough-Kanamori rules)。

古迪纳夫1922年7月出生于德国,现年97岁。他于1943年获得耶鲁大学数学学士学位,随后于1951年和1952年在芝加哥大学获得物理学硕士和博士学位。他的职业生涯始于麻省理工学院的林肯实验室,在那里他为数字计算机的随机存取存储器(RAM)的开发奠定了基础。离开麻省理工学院后,他于1976年至1986年加入牛津大学担任教授和无机化学实验室负责人。正是在这段时间里,古迪纳夫发明了锂电池。离开牛津大学后,他加入美国得州大学奥斯汀分校,现任该校机械工程和材料科学教授。

斯坦利·威廷汉(Stanley Whittingham),英裔美国化学家,现任纽约州立大学石溪分校化学系杰出教授,纽约州立大学宾厄姆顿分校化学教授、材料研究和材料科学与工程研究所主任、纽约电池和储能联合会(NYBEST)董事会副主席。2015年,威廷汉因在锂离子电池领域的开创性研究获得科睿维安化学领域引文桂冠奖。2018年因将插层化学应用在储能材料上的开创性贡献,当选美国国家工程院院士。

威廷汉1941年出生于英国,1968年在牛津大学取得博士学位。他的研究兴趣主要在于寻找能够推进储能的新材料,以显著提高电化学装置的储存能力。近年来,他的研究集中在新型无机氧化物材料的制备及其化学和物理性质。最近,他的课题组发现了单相反应在电池电极放电中的关键作用。

吉野彰(Yoshino Akira),日本化学家,现代锂离子电池(LIB)的发明者,曾获得工程学界最高荣誉全球能源奖与查尔斯·斯塔克·德雷珀奖。1983年,吉野运用钴酸锂(LiCoO2;锂和氧化钴的化合物,由约翰·B·古迪纳夫、水岛公一等人发现)开发阴极,运用聚乙炔开发阳极,在1983年制出世界第一个可充电锂离子电池的原型。1985年克服诸多技术问题,彻底消除金属锂,确立了可充电含锂碱性锂离子电池(LIB)的基本概念,并取得日本注册专利。吉野彰的锂电池突破以往镍氢电池的技术限制,开启了行动电子设备的革命。由于极高的安全性、稳定的能量输出以及合理的价格,锂离子电池最终于1991年由SONY首次商业化。2014年,美国国家工程院公认约翰·B·古迪纳夫、西义郎、Rachid Yazami和吉野彰为现代锂离子电池所做的先驱性和领先性的基础工作。

吉野彰1948年1月出生于日本大阪。1970年从京都大学工学部石油化学科毕业,1972年获京都大学工学硕士学位,2005年获大阪大学工学博士学位。1972年吉野进入旭化成工业株式会社(现·旭化成株式会社),1994年担任AT&T技术开发部长,1997年担任旭化成(株)离子二次电池事业推进室室长,2003年升任旭化成Fellow。2005年至今担任旭化成(株)吉野研究室室长。

诺贝尔化学奖知多少

111次

自1901年以来,诺贝尔化学奖共颁发了111次。该奖项在1916年、1917年、1919年、1924年、1933年、1940年、1941年和1942年这8年没有颁发。原因不外乎两点:没有达到评奖标准的候选者,以及众所周知的不可抗力——第一次世界大战和第二次世界大战。

183人

从1901年到2019年,共有184人次荣膺诺贝尔化学奖,由于英国生物化学家弗雷德里克·桑格曾经在1958年及1980年两度获得诺贝尔化学奖,所以,共183人获得诺贝尔化学奖。其中独享诺贝尔化学奖荣耀的科学家共有63位;由两位获奖者平分秋色的情况出现过23次;另有25次为三个人分享大奖。

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伊雷娜·约里奥-居里和丈夫弗雷德里奥·约里奥图片来源于网络

迄今最年轻的诺贝尔化学奖得主是弗雷德里克·约里奥,他与妻子伊雷娜·约里奥-居里(居里夫人玛丽·居里和皮埃尔·居里的大女儿)因合成新的放射性核素而共同获得了1935年诺贝尔化学奖。那一年,约里奥35岁,伊雷娜38岁。夫妻俩还于1948年领导建立了法国第一个核反应堆。

迄今最年长的诺贝尔化学奖得主则是美国固体物理学家约翰·巴尼斯特·古迪纳夫,他因为“开发锂离子电池”,荣膺2019年诺贝尔化学奖,得奖时已经97岁高龄,是所有诺贝尔奖得主中的“老大哥”,可谓壮心不已。

5位女性

在获得诺贝尔化学奖的183个人中,有5位是女性。其中玛丽·居里和英国化学家多萝西·克劳福特·霍奇金独享诺贝尔化学奖。克劳福特·霍奇金因用X射线衍射方法研究青霉素和维生素B12等分子结构取得成功,于1964年获奖诺贝尔化学奖。

另外三位女性及其获奖原因分别如下:1935年,居里夫人的大女儿伊雷娜·约里奥-居里因合成新的放射性核素荣膺诺贝尔化学奖;2009年,以色列科学家阿达·约纳特因“核糖体的结构和功能”的研究而获得2009年诺贝尔化学奖;2018年,美国科学家弗朗西斯·阿诺德因在酶研究等领域的贡献荣膺诺贝尔化学奖。

3人两次获奖

在迄今所有诺贝尔化学奖得主中,有三位得主两次摘得诺贝尔奖的桂冠。

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弗雷德里克·桑格

图片来源于网络

其中,英国生物化学家弗雷德里克·桑格“梅开二度”,曾经在1958年及1980年两度获得诺贝尔化学奖,是第四位两度获得诺贝尔奖,以及唯一获得两次诺贝尔化学奖的人。

桑格完整定序了胰岛素的氨基酸序列,证明蛋白质具有明确构造,于1958年获得诺贝尔化学奖;他上世纪70年代提出快速测定脱氧核糖核酸(DNA)序列的技术“双去氧终止法”,又称“桑格法”,于1980年与另外两名科学家共享诺贝尔化学奖。

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莱纳斯·鲍林图片来源于网络

另外还有两位跨界高手:居里夫人继1903年获得物理学奖之后,又于1911年摘取化学奖;美国化学家莱纳斯·鲍林,分别将1954年的化学奖(因在化学键方面的工作而获奖)和1962年的和平奖(因反对核弹在地面测试的行动)两枚奖牌纳入囊中。

史上最强诺贝尔奖家族

居里家族是迄今最强“诺贝尔奖家族”。

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居里一家图片来源于网络

其中,玛丽·居里和皮埃尔·居里被授予1903年诺贝尔物理学奖,随后,居里夫人获得1911年诺贝尔化学奖。长女伊雷娜·约里奥-居里与丈夫约里奥-居里一起被授予1935年诺贝尔化学奖;幼女艾芙·居里则在联合国儿童基金会工作,并嫁给了亨利·拉波易斯,而亨利于1965年代表联合国儿童基金会接受了诺贝尔和平奖。

父子在各自的研究领域均有建树并分别获得诺贝尔奖殊荣的例子还有:1929年诺贝尔化学奖得主、瑞典生物化学家汉斯·冯·奥伊勒-切尔平,其子乌尔夫·冯·奥伊勒是1970年生理学或医学奖得主;1959年生理学或医学奖获得者、美国科学家阿瑟·科恩伯格,其子罗杰·D·科恩伯格于2006年捧得诺贝尔化学奖。

“混搭”明显

纵观诺贝尔化学奖百年颁奖历史,可谓“混搭”明显,与其他自然科学领域并没有明显界线。不少人的获奖成就并非出自传统的化学研究,而是涉及生物学、物理学等学科,因此诺贝尔化学奖也被调侃为“理科综合奖”,还曾出现过“诺贝尔化学奖颁给物理学家、以奖励他们的成果有益于生物学家”之类的情况。

比如,2017年化学奖就颁发给了瑞士生物物理学家雅克·迪波什、德裔生物物理学家约阿基姆·弗兰克和苏格兰分子生物学家兼生物物理学家理查德·亨德森,以表彰他们研发冷冻电镜,简化了生物细胞的成像过程、提高了成像质量。

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欧内斯特·卢瑟福图片来源于网络

此外,英国著名物理学家欧内斯特·卢瑟福被誉为“原子核物理学之父”,学术界公认他为继法拉第之后最伟大的实验物理学家。但因为“对元素蜕变以及放射化学的研究”,他荣获1908年诺贝尔化学奖。

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