2019年诺贝尔化学奖:锂离子电池专场
发布时间：2019-10-14 23:40:50 来源：自考网瑞典皇家科学院宣布：2019年诺贝尔化学奖授予美国德州大学奥斯汀分校的JohnB.Goodenough教授，纽约州立大学Binghamton分校的M.StanleyWhittingham教授，以及日本旭化成公司化学家AkiraYoshino，以表彰其对锂离子电池研究开发的卓越贡献。
TheRoyalSwedishAcademyofScienceshasdecidedtoawardtheNobelPrizeinChemistry2019to
JohnB.Goodenough
TheUniversityofTexasatAustin,USA
M.StanleyWhittingham
BinghamtonUniversity,StateUniversityofNewYork,USA
AkiraYoshino
AsahiKaseiCorporation,Tokyo,Japan
MeijoUniversity,Nagoya,Japan
“forthedevelopmentoflithium-ionbatteries”
他们创造了一个可充电的世界
锂离子电池在全球范围内用于为便携式电子设备供电。这种轻巧，可充电且功能强大的电池已用于从手机到笔记本电脑和电动车的大量产品。同时锂电池还促进了电动汽车的开发以及可再生能源（例如太阳能和风能）的能量存储，从而使社会向无化石燃料演进成为可能。
锂离子电池的基础是在1970年代的石油危机期间奠定的。StanleyWhittingham致力于开发可能导致无化石燃料的能源技术的方法。他通过研究超导体，发现了一种能量非常丰富的材料将其用于在锂电池中创造了新的阴极，这种材料由二硫化钛制成，同时分子水平上具有可以容纳（嵌入）锂离子的空间。
电池的阳极部分由金属锂制成，金属锂具有强烈的释放电子的动力,这产生了一个刚好超过2V的电池。但金属锂极易反应、易爆，无法使用。
JohnGoodenough当时预测，如果使用金属氧化物而不是金属硫化物制成阴极，则阴极将具有更大的潜力。经过系统的研究与筛选，他在1980年证明了嵌入锂离子的氧化钴可以产生高达4伏的电压。这项重要的突破带来了更强大的锂离子电池。
吉野彰（AkiraYoshino）以Goodenough的阴极为基础，于1985年创建了首个商业上可行的锂离子电池。他没有在阳极中使用锂金属，而是使用了石油焦炭，这种碳材料像阴极的氧化钴一样可以被锂离子嵌入。重量轻、持久耐用，在其性能下降之前可以充放电数百次。锂离子电池的优点在于，它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来回流动。
锂电池介绍
电池由正负两个电极组成，每个电极分开连接可以容纳带电物质的电解质。通常，电极在物理上用隔离膜材料隔开，以防止它们短路。和所有化学电池一样，锂离子电池也由三个部分组成：正极、负极和电解质。习惯上，锂离子进入正极材料的过程叫“嵌入”，离开的过程叫“脱嵌”。在放电模式下，当电池用于驱动电流，在负极发生氧化过程（阳极），导致电子从电极通过电路移动。还原过程在正极（阴极）上进行。锂离子电池在放电过程中，锂离子Li+会从负极通过电解液/电解质移动到正极，并在充电时返回。电子e-也从负极经过外电路到正极。锂离子电池使用嵌入的锂化合物作为正极的材料，通常使用石墨作为负极的材料。电池电压在很大程度上取决于电极材料自身的电势差，并且整个过程是自发的。锂离子电池的研究领域包括寿命延长，能量密度，安全性，降低成本和充电速度等。
锂离子电池内部微观示意图
锂电发展大事记
1973年–亚当·海勒（AdamHeller）提出了亚硫酰氯锂电池，该电池仍用于植入式医疗设备和国防系统中，这些系统需要超过20年的保存期限，高能量密度和/或对极端工作温度具有耐受性。
1977年–SamarBasu在宾夕法尼亚大学展示了石墨中锂的电化学嵌入。这导致了贝尔实验室开发出一种可行的锂嵌入石墨电极(LiC6，提供了一种替代锂金属电极电池的方法。
1979年–JohnGoodenough和KoizuMizushima组成了两个小组，他们展示了可充电锂电池，使用锂电池的电压为4V二氧化钴（LiCoO2）作为正极，锂金属作为负极。这项创新提供了可用于早期商用锂电池的正极材料。钴酸锂是一种稳定的正极材料，可充当锂离子的载体，这意味着它可与锂金属以外的负极材料一起使用。
1980年–RachidYazami证明了锂在石墨中的可逆电化学嵌入。此时可用的有机电解质在用石墨负极充电时会分解。Yazami使用固体电解质证明锂可以通过电化学机理可逆地嵌入石墨中。（截至2011年，Yazami的石墨电极是商用Lion电池中最常用的电极）。负电极起源于1980年代初期的山部俊夫（TokioYamabe）和后来的ShjzukuniYata发现的PAS（聚乙炔半导体材料）。该技术的种子是白川英树教授及其团队发现的导电聚合物，也可以看作是由AlanMacDiarmid和AlanJ.Heeger等人开发的聚乙炔锂离子电池开始的。
1982年–Godshall等。根据Godshall的斯坦福大学博士学位，获得了将LiCoO2用作锂电池阴极的美国专利U.S.Patent4,340,652。
1983年–迈克尔·沙克雷（MichaelM.Thackeray），彼得·布鲁斯（PeterBruce），威廉·戴维（WilliamDavid）和约翰·B·古德诺（JohnB.Goodenough）开发了锰尖晶石，作为锂离子电池的商用带电正极材料。
1985年–吉野彰（AkiraYoshino）用碳质材料组装了一个原型电池，可以将锂离子作为一个电极插入其中，而钴酸锂（LiCoO2）其他。这大大提高了安全性。钴酸锂实现了工业规模生产，并实现了商用锂离子电池。
1989年–Goodenough和ArumugamManthiram表明，由于聚阴离子的感应作用，含有聚阴离子（例如硫酸盐）的正极产生的电压高于氧化物。
1996年–AkshayaPadhi，KSNanjundawamy和Goodenough确定了LiFePO4（LFP）磷酸铁锂作为正极材料。
1998年–C.S.Johnson，J。T.Vaughey，M。M.Thackeray，T。E.Bofinger和S.A.Hackney报告了发现高容量高压富锂NMC阴极材料的情况。
2005年–YSong，PYZavalij和M.StanleyWhittingham报告了一种新的具有高能量密度的二电子磷酸钒正极材料。
2012年–JohnGoodenough，RachidYazami和AkiraYoshino因开发锂离子电池而获得了2012年IEEE环境与安全技术奖章。
2014年–JohnGoodenough，西吉义雄（YoshioNishi），矢立美（RachidYazami）和吉野彰（AkiraYoshino）因在该领域的开拓性努力而被授予美国国家工程院的查尔斯·斯塔克·德雷珀奖。
2016年–Z.Qi和GaryKoenig报告了一种可扩展的方法来生产亚微米级LiCoO2使用基于模板的方法。
2019年诺贝尔化学奖授予JohnB.Goodenough教授、M.StanleyWhittingham教授，以及化学家AkiraYoshino，以表彰其对锂离子电池研究开发的卓越贡献。
结语
锂电池未来发展的路还很长，仍有很多问题亟待解决：寿命衰减、零下低温不利于充电、高温条件下安全性下降、材料本身决定的电压上限已到达天花板，进一步提升能量密度将会愈发困难。值得兴奋的是，机会与挑战并存，能源存储在未来仍然大有可为。
麦肯锡全球研究院发布分析报告称，12项颠覆性技术将对2025年后人类的生活、商业和全球经济产生重大影响：
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7.下一代基因组学。
8.储能技术。
9.3D打印。
10.先进材料。
11.先进油气勘探开采。
12.可再生能源。
相信站在前辈和巨人肩膀上的新一代能源人定会克服万难、创新引领，把能源存储带向新的康庄大道。
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