化學(xué)獎(jiǎng)

獲獎(jiǎng)原因：

瑞典皇家科學(xué)院10月9日宣布，將2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予來自美國的科學(xué)家約翰·古迪納夫、斯坦利·惠廷厄姆和日本科學(xué)家吉野彰，以表彰他們在鋰離子電池研發(fā)領(lǐng)域作出的貢獻(xiàn)。

據(jù)諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)評選委員會(huì)介紹，輕巧、可充電且能量強(qiáng)大的鋰離子電池已在全球范圍內(nèi)被應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)汽車等各種產(chǎn)品，并可以儲存來自太陽能和風(fēng)能的大量能量，從而使無化石燃料社會(huì)成為可能。

上世紀(jì)70年代，惠廷厄姆發(fā)現(xiàn)了一種能量豐富的材料，這種由二硫化鈦制成的材料可以嵌入鋰離子，所以可被用作鋰電池中的陰極。古迪納夫推測，如果用金屬氧化物來替代金屬硫化物制造陰極，電池將具有更大的潛力。經(jīng)過系統(tǒng)研究，他在1980年證明了嵌入鋰離子的氧化鈷可以產(chǎn)生4伏的電壓。

在古迪納夫研制出的陰極基礎(chǔ)上，吉野彰1985年開發(fā)出了首個(gè)接近商用的鋰離子電池。他并未使用活潑的金屬鋰做陽極，而是使用了焦炭，這種碳材料可以像氧化鈷一樣提供容納鋰離子的空間。鋰離子在陰陽極之間運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電流。一個(gè)輕巧耐用、在性能下降前可充放電數(shù)百次的電池由此產(chǎn)生。自1991年首次進(jìn)入市場，鋰離子電池徹底改變了人們的生活。這種電池奠定了無線、無化石燃料社會(huì)的基礎(chǔ)，對人類具有極大益處。

獲獎(jiǎng)人簡介：

約翰·B·古迪納夫（JohnB.Goodenough），1922年在美國出生，現(xiàn)年97歲。1943年，他在耶魯大學(xué)獲得數(shù)學(xué)系學(xué)士學(xué)位。二戰(zhàn)之后，古迪納夫于1952年在芝加哥大學(xué)獲得物理學(xué)博士學(xué)位。1952到1976年，古迪納夫在MIT的林肯實(shí)驗(yàn)室工作，主要進(jìn)行關(guān)于內(nèi)存的材料物理研究。1976年，古迪納夫進(jìn)入牛津大學(xué)任教授并作為無機(jī)化學(xué)研究負(fù)責(zé)人。1986年起，古迪納夫在德州大學(xué)奧斯丁分校擔(dān)任教授，繼續(xù)從事能源材料的研究。

吉野彰（AkiraYoshino），1948年出生于日本大阪，現(xiàn)年71歲。吉野教授于1970年從京都大學(xué)工學(xué)部石油化學(xué)科畢業(yè)，1972年獲工學(xué)碩士學(xué)位，2005年獲大阪大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位。1972年，吉野彰進(jìn)入旭化成工業(yè)株式會(huì)社，1994年擔(dān)任AT&T技術(shù)開發(fā)部長，1997年擔(dān)任旭化成工業(yè)株式會(huì)社離子二次電池事業(yè)推進(jìn)室室長。2005年至今，吉野教授擔(dān)任旭化成工業(yè)株式會(huì)社吉野研究室室長。

M·斯坦利·威廷漢（M.StanleyWhittingham），現(xiàn)就任于東北化學(xué)能源儲存中心（NECCES），美國賓厄姆頓大學(xué)能源前沿研究中心（EFRC）。他與JohnB.Goodenough在鋰電領(lǐng)域取得開拓性研究，2015年被湯森路透預(yù)測為諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的候選人。Whittingham教授于1971年獲得ECS電化學(xué)學(xué)會(huì)頒發(fā)的青年學(xué)者獎(jiǎng)，2004年獲得ECS電化學(xué)學(xué)會(huì)頒發(fā)的電池研究獎(jiǎng)，并因其對鋰電池科學(xué)和技術(shù)的貢獻(xiàn)而于2006年當(dāng)選為ECS電化學(xué)學(xué)會(huì)成員。

鋰離子電池自問世以來，因其卓越的性能得到了迅猛的發(fā)展，從工作到生活，鋰電池給人類生活帶來的便利就非常顯而易見，你此刻正拿著的手機(jī)、桌上的筆記本電腦、心臟起搏器等等這些便攜式電器，以及環(huán)保型交通工具代表—電動(dòng)汽車，都離不開鋰離子電池。這項(xiàng)發(fā)明如同一道光，照亮了人類生活的“說走就走”。

目前鋰電池公認(rèn)的基本原理是所謂的“搖椅理論”。鋰電池的充放電不是通過傳統(tǒng)的方式實(shí)現(xiàn)電子的轉(zhuǎn)移，而是通過鋰離子在層壯物質(zhì)的晶體中的出入，發(fā)生能量變化。在正常充放電情況下，鋰離子的出入一般只引起層間距的變化，而不會(huì)引起晶體結(jié)構(gòu)的破壞，因此從充放電反映來講，鋰離子電池是一種理想的可逆電池。在沖放電時(shí)鋰離子在電池正負(fù)極往返出入，正像搖椅一樣在正負(fù)極間搖來搖去，故有人將鋰離子電池形象稱為搖椅電池。

最“化學(xué)的”化學(xué)獎(jiǎng)

歷年來，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)不“化學(xué)”，從歷年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主名單中不難看出，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)“混搭”明顯，與其他自然科學(xué)領(lǐng)域并沒有明顯的界線。不少人的獲獎(jiǎng)成就并非出自傳統(tǒng)的化學(xué)研究，而是涉及生物學(xué)、物理學(xué)等多重學(xué)科，因此諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)也被調(diào)侃為“理科綜合獎(jiǎng)”，還曾出現(xiàn)過“諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給物理學(xué)家、以獎(jiǎng)勵(lì)他們的成果有益于生物學(xué)家”之類的情況。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，其中有17次諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了生物學(xué)方面的成就。比如2017年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了在冷凍電子顯微鏡術(shù)領(lǐng)域做出巨大貢獻(xiàn)的三位生物物理學(xué)家。2018年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了在“進(jìn)化控制”方面做出重要貢獻(xiàn)的三位生物學(xué)家。因此諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)曾被不少科學(xué)家戲謔稱為“諾貝爾理科綜合獎(jiǎng)”。而此次因鋰電池的發(fā)明二獲獎(jiǎng)是真正意義上的純化學(xué)發(fā)明。

鋰電池誕生記

這次獲獎(jiǎng)的原創(chuàng)成果要追溯到20世紀(jì)70年代，他們?nèi)齻€(gè)人開創(chuàng)了鋰離子電池從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)化的路徑。

鋰離子電池的基礎(chǔ)是在1970年代的石油危機(jī)期間奠定的。斯坦利·威廷漢致力于開發(fā)可能導(dǎo)致無化石燃料的能源技術(shù)的方法。他開始研究超導(dǎo)體，并發(fā)現(xiàn)了一種能量非常豐富的材料，他將其用于在鋰電池中創(chuàng)建創(chuàng)新的陰極。它是由二硫化鈦制成的，該二硫化鈦在分子水平上具有可以容納（嵌入）鋰離子的空間。電池的陽極部分由金屬鋰制成，金屬鋰具有強(qiáng)烈的釋放電子的動(dòng)力。這產(chǎn)生了一個(gè)電池，實(shí)際上具有很大的潛力，剛好超過2伏。但是，金屬鋰具有反應(yīng)性，電池爆炸性太大，無法使用。

約翰·古迪納夫預(yù)測，如果使用金屬氧化物而不是金屬硫化物制成陰極，則陰極將具有更大的潛力。經(jīng)過系統(tǒng)的搜索，他在1980年證明了嵌入了鋰離子的氧化鈷可以產(chǎn)生多達(dá)4伏的電壓。這是一項(xiàng)重要的突破，將帶來更強(qiáng)大的電池。

吉野彰以古迪納夫的陰極為基礎(chǔ)，于1985年創(chuàng)建了首個(gè)商業(yè)上可行的鋰離子電池。他沒有在陽極中使用反應(yīng)性鋰，而是使用了石油焦炭，這種碳材料像陰極的氧化鈷一樣可以嵌入鋰離子中。結(jié)果是重量輕，堅(jiān)固耐用的電池，在其性能下降之前可以充電數(shù)百次。鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)在于，它們不是基于分解電極的化學(xué)反應(yīng)，而是基于鋰離子在陽極和陰極之間來回流動(dòng)。

未來路在何方？

這次諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)花落鋰電池，無異于為相關(guān)的研究人員打了一針“強(qiáng)心劑”。就目前鋰電池的基礎(chǔ)研究來說，國際上公認(rèn)美國領(lǐng)先，日本產(chǎn)業(yè)化做得最好。

鋰電池的研究核心是正極、負(fù)極材料以及隔膜，它正朝著高容量、金屬化、固態(tài)化等方向發(fā)展。當(dāng)前，鋰電池能量密度要不斷往上做，相當(dāng)于在有限的空間內(nèi)塞入更多的鋰離子。但是，金屬鋰是堿金屬，本身化學(xué)性質(zhì)很活潑，肯定會(huì)帶來一些安全上的不確定性。怎么去穩(wěn)定正極和負(fù)極的化學(xué)安全性，這是鋰離子電池未來要解決的一個(gè)重點(diǎn)。而鋰屬于稀有金屬資源，并不具備資源優(yōu)勢，因此除了鋰電池之外，還應(yīng)當(dāng)做一些其他電池資源的開發(fā)，比如鈉離子電池。

客觀來講，鋰電池性能還沒有達(dá)到電動(dòng)汽車和大規(guī)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電池的發(fā)展方向。（編輯/高緯時(shí)）

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諾貝爾獎(jiǎng)最高齡得主誕生：

2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?wù)Q生的同時(shí)，還誕生了一個(gè)諾貝爾之最——97歲的古迪納夫成為諾貝爾獎(jiǎng)最高齡得主，力壓2018年諾貝爾物理學(xué)家亞瑟·阿什金（ArthurAshkin）（獲獎(jiǎng)時(shí)享年96歲）。他在今年6月接受泰晤士報(bào)專訪時(shí)透露他仍在從事電池工作，雖然不知道自己什么時(shí)候會(huì)“被帶走”，但當(dāng)下他仍有兩個(gè)愿望，其一是能看到自己所帶的博士生順利畢業(yè)，其二是能在有生之年看到自己的研究能第二次改變世界。

賣不出去的發(fā)明：

具吉野回憶說，開發(fā)出鋰電池后起初3年都賣不出去，身心很沉重、備受折磨。