2019年诺贝尔化学奖揭晓:锂电池重新定义未来

原标题:2019年诺贝尔化学奖揭晓:锂电池重新定义未来

2019年诺贝尔化学奖揭晓,以表彰他们开发锂离子电池的贡献!

10月9日消息,北京时间10月9日17点45分,约翰·B·古迪纳夫(John B. Goodenough)、M·斯坦利·威廷汉(M. Stanley Whittingham )、吉野彰(Akira Yoshino)美英日三人获得2019年诺贝尔化学奖,以表彰他们对锂离子电池方面的研究贡献。

锂电池是一种重量轻、可充电、功能强大的电池,现被广泛应用于手机、笔记本电脑、电动汽车等多个领域,它还可用于储存太阳能、风能能源,使无化石燃料的现代社会成为可能。

全球范围都在使用锂电池,它可作为实现通讯、工作、研究、听音乐和学习的便携式电子设备的动力源。此外,锂电池还能应用于远程电动汽车、太阳能和风能的可再生能源存储。

锂电池的最初研发可追溯至上世纪70年代石油危机时期,M·斯坦利·威廷汉致力于开发可以实现无化石燃料能源技术的能源方案,他开始研究超导体,发现一种能量充沛的材料,使用该材料作为锂电池阴极,它是由二硫化钛制成,在分子等级上,二硫化钛可提供空间容纳锂离子插入。

锂电池阳极部分是由金属锂制成,锂具有很强的释电能力,理论上具有2伏特电能,然而金属锂反应性较强,仅使用锂作为电池很容易发生爆炸,导致电池无法使用。

约翰·B·古迪纳夫预测称,如果使用一种金属氧化物,而不是金属硫化物来制造电池阴极,将具有更大的潜力。经过一系列努力研究,1980年,古迪纳夫证明了嵌入锂离了的氧化钴可以产生高达4伏特电能,这是一个非常重要的技术突破,意味着将研制出功能更加强大的电池。

以古迪纳夫的电池阴极作为基础,吉野彰研制了首个商业锂离子电池,他没有在阳极使用活性锂,而不是采用石油焦,这是一种碳材料,像阴极的钴氧化物一样,可以插入锂离子。

最终研制的锂电池具有重量轻、耐磨的特点,可充电使用数百次,锂离子电池的优点是,它们不是基于分解电极的化学反应,而是基于锂离子在阳极和阴极之间往返流动。

自1991年锂电池首次进入市场以来,现已彻底改变了人们的生活,它为人们的无线通讯、无化石燃料的现代社会生活奠定了基础,并为人类带来了最大利益。

获奖者简介:

约翰·B·古迪纳夫(John B. Goodenough):美国固体物理学家,是二次电池产业的重要学者。他目前是美国德州大学奥斯汀分校的机械工程和材料科学教授。古迪纳夫1922年生在德国,今年97岁,他幼年随父亲移民美国,在耶鲁大学获得数学学士学位并参加美军,二战结束后重返学校,在芝加哥大学获得物理学博士学位。

M·斯坦利·威廷汉(M. Stanley Whittingham ):英美化学家,他目前是纽约州立大学宾汉姆顿大学的化学教授和材料研究所以及材料科学与工程专业的主任。1941年出生于英国,1968年在英国牛津大学获得博士学位,在美国宾厄姆顿大学任特聘教授。

吉野彰:日本化学家,现任旭化成研究员、名城大学教授。紫绶褒章表彰。吉野是现代锂离子电池(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。吉野彰出生于1948年,1972年获得京都大学工学硕士学位,2005年在日本大阪大学获得博士学位,任日本旭化成株式会社名誉研究员、日本名城大学教授。(网易科技卡麦拉)

好奇心是推动我前行的主要动力。

——诺贝尔化学奖得主吉野彰(Akira Yoshino)在新闻发布会上的发言。

2017年,吉野彰出席了第一财经技术与创新大会,在会上他谈到关系锂电池未来发展的4个关键词。

“锂电池之父”吉野彰:锂电池重新定义未来

作者:王佑来源:第一财经日报

淡灰色的衬衫加暗条纹格领带、剪裁利落的黑色西装,坐在记者面前的是日本科学家吉野彰,他清瘦而有礼貌。

如果不是看过他的履历,你丝毫觉察不出这是一位拿奖无数的“锂电池之父”,全程从未谈起自己有过什么荣誉,淡定地聊着对锂电池技术的理解,有一些问题会停下来思考良久再给出答案,说到兴起时他也会仰起脖子大笑。

时隔四年,再次探访上海的他,感慨于车用锂电池和新能源汽车发展的迅猛之势,也对中国锂电池制造商的评价甚高。他笑言,借助于日本科技力量,锂电池在研发上有了重大突破,而中国企业也正与全世界公司一道,让锂电池重新定义未来,“尽管技术千变万化,然而与之相对应的科学研究并非一日之功,在快慢之间寻求平衡与突破是科技的真正要义所在。”

▌择一事专一生

2013年,俄罗斯总统普京向在动力科研及科学创造方面取得杰出成就的人,颁发了俄罗斯全球能源大奖“The Global Energy Prize”,选中的全球技术专家有两位,日本旭化成的吉野彰、俄罗斯科学院院士福尔托夫。

颁奖典礼上,被普京本人委托发奖的俄罗斯石油总裁伊戈尔·谢钦就评价道,这一奖项是人类对科学家们科研和实际成果的感谢表达,吉野彰创造的价值难以估量,他从上世纪80年代开始就从事储能方面的研究工作,研制的锂电池带来了彻底的技术革命,依靠它,录音机、手机和平板电脑的体积和重量才越来越小巧,而纯电动和混合动力等交通工具也开始使用锂电池。

“接到来自莫斯科的电话我非常激动,”吉野彰说道,“2011年3月,日本福岛的悲剧带来了巨大的破坏,核电站的灾难也再次告诉这世界,动力问题的解决需要不分国界的科学结集。”

与众多日本科技学者的经历有些类似,吉野彰只服务过一家公司——旭化成。该技术的研发也是在这家著名日本化工公司的全力支持下完成的。1970年3月,吉野彰从京都大学工学部石油化学专业毕业,随后的2年继续攻读了同校的工学研究专业并顺利在1972年4月入职旭化成株式会社。

1980年,旭化成成立了宫崎电子株式会社(现在的旭化成电子株式会社),从而正式切入电子元件产业,这对于入行8年的吉野彰来说也是人生的一大际遇, “而现在的锂电池形状是在这个5年之后即1985年发明的,随后进行了各种各样的产品技术开发。”

他对第一财经记者说,自己感触最深的也是那一年,当时摄像机对锂电池的需求被突然放大,全世界每个月能卖到100万台左右,“难以想象的是,如今摄像机用电池市场也只能占锂电池所有需求的1%,这也说明在30多年的时间中这一技术发展的速度高达100倍。从智能手机、电脑再到电动汽车,由于锂电池的产生,这些科技产业也有机会获得惊人的成长。”

1985年之后,多个专利如防爆型二次电池、附带安全元件的二次电池等被吉野彰获得,他由此声名鹊起。

锂电池是蓄电池的一种,它之所以相比其他电池更具前瞻性,主要还是因为安全性高、体积小、能量密度高等特性,而20世纪80年代也是移动设备研发的黎明期,锂电池的出现也刚好顺应了时代发展。“在日常生活中不断摸索客户与这个社会到底需要什么,我们如何利用科学技术来满足这些需求,这是科研人员要做的。比起一本正经地思考有啥新发现,做一些调整并漫无目的地想想,有时灵感自然就会浮现出来。”吉野彰表示。

他说道,以前蓄电池的电解液(含有离子的溶液)溶剂是水。对水施加1.5V以上的电压后,水会分解为氢和氧。因此,在过去是不可能取得超过1.5V电动势的。而用有机溶剂取代水,同时在负极使用碳,即可取得4V以上的电动势。

此外,通过正极使用钴酸锂(含有锂离子的金属氧化物),旭化成率先在世界上提出了锂电池的原型。这种小型的蓄电池能用在手机、笔记本电脑、数码相机及摄像机、便携式音乐播放器等为主的各种电子设备上,所以它的出现是重量级的。

▌锂电池时代

随后的1991年,全球正式推出了商品锂电池。1年后,吉野彰在公司的帮助下,担任了离子二次电池事业推进部商品开发组组长,1994年8月再次成为株式会社A&T蓄电池技术开发部部长。

当时,旭化成开发的锂电池并不好卖,一段时间内几乎无人问津,突然有一天销路被打开了,那是1995年,“对于我们来说也是非常重要的一年,因为全球进入了移动IT时代,手机、平板电脑都要大量使用锂电池,整个世界走向了移动互联,所以锂电池也呈现了几何级的增长。”

1995年,微软发布了具有划时代意义的Windows95操作系统,它带着“我的电脑”、“IE浏览器”等一系列发明一路狂奔、战无不胜,全球科技界对Windows95的横空出世不断惊声尖叫,而这对于大洋彼岸的科学家吉野彰而言,印象也太深刻了。

“我们身处IT社会。这场IT革命起源于1995年。正是在那一年,微软发布了Windows95。也就是在那之后,锂电池引领了全球的抢购风潮。”他说道。而吉野彰及一批科学家的新成果,也获得了来自世界各地学会和专家们的共鸣。

由于技术出众,1999年起无数大奖被他一一揽入:日本政府的“紫绶褒章”、美国电气和电子工程师协会(IEEE)的“IEEE Medal for Environmental and Safety Technologies”(环境与安全科技奖章)、全美技术学会的最高奖项“The Charles Stark Draper Prize”(查尔斯·斯塔克·德雷珀奖)等。

在科技进步的推动下,旭化成电子业务也取得了惊人成就。

成立于1922年的旭化成株式会社是日本著名的化工企业,2016年主营化学品的销售额为84.49亿美元,全球化工企业排名39位。这家日资巨头从工程塑料、防火防震的建筑材料到医药用品、医疗器械以及电子等都处于世界领先。

吉野彰所在的锂电池研发,属于旭化成材料领域,公司也极为重视。

就商业产成品来说,旭化成在全球锂电池行业的影响力则体现于隔膜材料的第一话语权,拥有世界最高市场份额。凭借着2015年2月斥资22亿美元收购全球第三大电池绝缘体生产商美国Polypore International公司的这一举动,成为了干湿法隔膜的主导厂家。

2017年3月,旭化成宣布投资150亿日元,用于滋贺县守山市的锂离子二次电池(LIB)用的隔膜,实现锂电隔膜2亿平方米/年的产能,并预计在2020年实现11亿平方米/年的产能。

由于隔膜在生产过程中技术壁垒不低,对设备及设计、产品批次稳定性以及工人熟练程度都有着很高的要求,因此这一领域被日本旭化成、韩国SKI、东丽-BSF以及美国Celard等四大企业垄断,市场占有率高达70%。不过,随着锂电池需求的增大,中国企业如沧州明珠、星源材质也在尽快谋求发展,赶上锂电池快速发展的节奏。

▌多技术路线并举

20多年前,当Windows95到来的那一刻,吉野彰彻夜难眠。如今,他对于锂电池的发展前景依然充满着期待。

“就锂电池本身而言,现在主要应用在两大领域:一是移动式产品,如手机、电脑,占锂电池使用量的2/3左右;第二大领域便是车载电池。世界变化的速度实在太快了,根据我们2010年掌握的数据统计,当时车载用锂电池几乎是零,现在则要达到30%多,以后这一比例可能还会不断增加。电动汽车的出现,等于给锂电池打开了一个新的应用方向,是全新的商业机遇。”

他不否认,目前车载电池还是有一些弱点的,但这并不能归结于锂电池本身的技术困境,也有一些客观原因。笔记本电池毕竟经历了20多年的时间,但车用电池的使用时长从被开始使用到目前还很短暂,汽车行业在一边摸索新车型,一边研发及制造着锂电池。

另一方面,一辆汽车推出市场的时间很久,从设计到下线通常需要5年的时间,而2017年的一款全新电动汽车可能是2012年设计出来的,包括锂电池等配套产品也是过去的设计。

反过来讲,现在这辆新车其实装的是一块老电池。但是科技研发的速度很快,有的3个月就需要更新一次,锂电池也要面对这种技术难题。

“所以说,有人认为电动车的续航里程还是太短,应尽快解决,我认为锂电池确实有提高的空间,但你要明白车的开发和电池的周期性特点,给它一些时间来解决。如2015年,人们看到了续航里程为200公里左右的电动车,那么到了2020年你可能会看到续航400公里左右的车型。当然也不排除个别车企在设计、研发及生产环节中比别人跑得更快,这也是阶段性的突破。”吉野彰说,续航距离会有变化,真正会变化到什么程度,现在也很难确定。

LIB种类多样,市面上就有磷酸铁锂、三元锂及钛酸锂等各类技术路线。

吉野彰认为,从续航距离看,三元锂电池还是有很大的优势,但如果车主和乘客并不在意每天的路程有多远,而是考虑安全性和耐温能力的话,那么磷酸锂电池和钛酸锂电池确实也是好的选择。“你不能说哪个技术一定是最强的,还是要看你对汽车的性能、安全性和其他需求是什么,所以我感觉在一段时间内锂电池的发展还是多重技术路线并举的。”

让他更为诧异的,还有中国锂电池军团的突围。“比亚迪、CATL等企业都有着非常强劲的动力,技术层面上也很乐观,”吉野彰说道,日本和中国在制造锂电池方面也有一些不同,“最大的区别在于材料上。

日本在材料上的研发时间更长一些,因为有过去积累的经验,所以和近期崛起的中国厂商还不太一样。反过来说,生产装配、新机器等,两国企业没什么大区别。还有一点较关键,锂电池是用在哪个国家、哪个市场的,当地的需求是什么,要怎么去抓住它。”

他说道,目前锂电池主要在日本、中国及韩国等三地企业中竞争,不排除美国和欧洲也会产出,“我认为未来需要关注的是欧洲市场,它会有很大的机会。”

来源: 第一财经日报 作者:王佑

诺贝尔化学奖近5年获奖者

2018年,美国科学家弗朗西斯·阿诺德、乔治·史密斯和英国科学家格雷戈里·温特尔获奖,以表彰他们在酶进化控制研究等领域的贡献。

2017年,瑞士洛桑大学的雅克·迪波什、美国哥伦比亚大学的约阿基姆·弗兰克和英国剑桥大学的理查德·亨德森获奖,理由是“研发冷冻电子显微镜,用于测定溶液中生物大分子高分辨率结构”。

2016年,法国斯特拉斯堡大学的让 - 皮埃尔·索维奇,美国西北大学的J·弗雷泽·斯托达特爵士和荷兰格罗宁根大学的伯纳德·L·费林加获奖,以表彰他们在分子机器设计与合成领域的贡献。

2015年,瑞典科学家托马斯·林达尔、美国科学家保罗·莫德里克和拥有美国、土耳其双重国籍的科学家阿齐兹·桑贾尔获奖,理由是“DNA修复的机制研究”。

2014年,美国科学家埃里克·白兹格、德国科学家斯特凡·W·赫尔、美国科学家威廉姆·艾斯科·莫尔纳尔获奖,理由是“研制出超分辨率荧光显微镜”。

数说诺贝尔化学奖(1901年~2018年)

▲ 110次

1901年~2018年,诺贝尔化学奖共颁发110次。其间有8年未颁发,分别是:1916年、1917年、1919年、1924年、1933年、1940年、1941年和1942年。

63次,23次,24次

有63次只颁给一位获奖者

有23次颁给两位获奖者

有24次颁给三位获奖者

180人

1901年~2018年,诺贝尔化学奖共授予181位获奖者。其中,弗雷德里克·桑格(Frederick Sanger)曾两次获奖,因此共有180人获得化学奖。

35岁

截至2018年,最年轻的诺贝尔化学奖获得者是弗雷德里克·约里奥(Frédéric Joliot)。1935年,35岁的他和妻子艾琳·约里奥-居里(Irène Joliot-Curie)一起被授予化学奖。

85岁

截至2018年,年龄最大的诺贝尔化学奖得主是约翰·芬恩(John B. Fenn)。2002年,85岁的他获得诺贝尔化学奖。

5位

在180位诺贝尔化学奖获得者中,有5位是女性。其中有两位——玛丽·居里(Marie Curie)和正多罗西·克劳福特·霍奇金(Dorothy Crowfoot Hodgkin),单独获得诺贝尔化学奖。

1911年——玛丽·居里

1935年——艾琳·约利奥特-居里(Irène Joliot-Curie)(玛丽·居里的女儿,弗雷德里克·约利奥特的妻子)

1964年——正多罗西·克劳福特·霍奇金

2009——阿达·尤纳斯(Ada Yonath)

2018年——弗朗西斯·阿诺德(Frances H. Arnold)

3人

在180位诺贝尔化学奖获得者中,有3人多次获奖。他们分别是:

玛丽·居里

1903年 物理学奖

1911年 化学奖

莱纳斯·鲍林(Linus Pauling)

1954年 化学奖

1962年 和平奖

弗雷德里克·桑格

1958年 化学奖

1980年 化学奖

其中,莱纳斯·鲍林是唯一两次单独获得诺贝尔奖的人。

家族

居里夫妇一家是最成功的“诺贝尔奖家族”。1903年,玛丽·居里和丈夫皮埃尔·居里共同获得诺贝尔物理学奖。

1911年,玛丽·居里再次获得诺贝尔化学奖。1935年,两人的大女儿艾琳·约利奥特·居里和她的丈夫弗雷德里克·约利奥特一起被授予诺贝尔化学奖。

小女儿伊芙·居里(Eve Curie)为联合国儿童基金会(UNICEF)工作,并且嫁给了亨利·拉博伊斯(Henry R. Labouisse)。1965年,亨利·拉博伊斯代表UNICEF接受了诺贝尔和平奖。

更多家族获奖者还包括:

Hans von Euler-Chelpin(父亲),1929年诺贝尔化学奖得主。

Ulf von Euler(儿子),1970年诺贝尔生理学或医学奖得主。

Arthur Kornberg(父亲),1959年诺贝尔生理学或医学奖得主。

Roger D. Kornberg(儿子),2006年诺贝尔化学奖得主。返回搜狐,查看更多

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