如果你正在手机上读这篇文章 感谢今年的诺贝尔化学奖获得者吧!
今年的三位获奖者。图片来源:Ill. Niklas Elmehed. Nobel Media.
2019年诺贝尔化学奖被授予美国得州大学奥斯汀分校教授约翰古迪纳夫(John Goodenough)、纽约州立大学宾汉姆顿分校教授斯坦利·惠廷厄姆(Stanley Whittingham)和旭化成公司研究员、名城大学(Meijo University)教授吉野彰(Akira Yoshino),以表彰他们为锂离子电池发展做出贡献。
诺贝尔科学类奖项通常被视为对基础科学领域进步的奖励,例如2011年诺贝尔物理学奖用以嘉奖对宇宙加速膨胀的有效观测,或2014年诺贝尔生理学或医学奖颁给“发现构建大脑定位系统的细胞”的科学家。这些奖项无疑令人着迷,但它们似乎与普通百姓的日常生活无多大关系。
然而,阿尔弗雷德·诺贝尔的遗嘱并不规定抽象发现才是应该得到认可的发现,而是希望向“在前一年给人类带来最大利益的人”颁奖。2019年诺贝尔化学奖获奖的科学工作无疑对很多人产生了巨大影响。
每个锂原子都有一个结合松散、易于失去的电子,容易变成锂离子。
我们生活在技术时代。如果没有计算机和手机以及这些先进技术带来的连接,我们将很难生活。但是电子产品需要电源,便携式电子产品需要便携式电源。这意味着电池必须轻巧、便于携带、易于充电且蓄电时间长。
二十世纪七十年代初,在石油危机最严重的时候,斯坦利·惠廷厄姆正在研究电池的新材料。锂这种元素具有一项非常实用的性质,每个锂原子都有一个结合松散、易于失去的电子。由于电的定义就是电子的运动,锂是制造电池的理想材料。惠廷厄姆使用二硫化钛基质将锂原子固定在阴极(cathode,即原电池正极)上,而阳极(anode,即原电池负极)部分由金属锂制成。使用他的装置能够制造电压可达2伏的电池。
锂和其同族元素钠一样是碱金属,因此它活性极高。如果你曾经看过有人将一块钠放入水中的演示,那么你已经看见过钠爆炸的过程。锂具有非常相似的性质。因此,惠廷厄姆发展的锂电池不适合作为商业产品。
20世纪80年代,约翰古迪纳夫接手了惠廷厄姆的工作,改变了正极的电极材料。他没有使用二硫化钛,而是使用了氧化钴来容纳锂离子。这让电压增加到了4伏,不过,由于负极是锂,仍然存在稳定性问题。
1985年,吉野彰取得了最后的关键性进展。他使用一种称为石油焦的碳材料作为电池的负极。他的贡献提供了安全和稳定的结构。三位新获奖者共同发明了锂离子电池。有点科学讽刺意味的是,锂离子电池不是基于分解电极的传统电化学反应,而是基于锂离子从负极到正极流过电池。
锂离子电池不是基于分解电极的传统电化学反应,而是基于锂离子从负极到正极流过电池。
锂离子电池对社会产生了巨大影响。它们功能强大、寿命长,可在数百次充电循环中生存而不会恶化。你可以在手机、电动汽车、烟雾探测器中找到它们,往往十年都不需要更换电池;你甚至也可以在火星探测器中找到它们。
当阿尔弗雷德·诺贝尔在去世前一年写下最终的遗愿时,他想像的是奖励那些可以拓展人类思维并改变社会的创新。尽管电池可能是你最喜欢的电子玩具中被忽略的组件,但没有它,设备将无法运作。约翰古迪纳夫、斯坦利·惠廷厄姆和吉野彰改变了世界,昨天宣布的奖项当之无愧。
Don Lincoln为福布斯撰稿人,表达观点仅代表个人。 译 Irene