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日期:2020-01-10 17:02:24  来源:网络

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四季彩直属代理,约翰·古德·伊纳夫在德克萨斯大学奥斯汀实验室工作

当你今天获得诺贝尔化学奖时,你当然不知道约翰·古德的“工作”,但你可能有他的“工作”。

回顾过去的60到70年,有两项发明对经济和社会发展产生了深远的影响——第一项重大发明是1947年在贝尔实验室诞生的晶体管。它的出现改变了电子产品,为全球经济和现代文明奠定了基础。第二个发明是锂电池。索尼于1991年开始商业化生产锂电池。随后,锂电池产品逐渐取代了依赖晶体管的重型电子设备,扩大了晶体管的应用。

没有锂电池,就不会有智能手机、平板电脑和笔记本电脑。当然,不会有苹果、三星、特斯拉等公司。

1980年,57岁的物理学家古德托发明了锂电池最重要的部件氧化钴阴极。如今,全世界的便携式电子设备都使用这种阴极。

当古德诺在牛津大学工作时,英国化学家斯坦威汀汉姆在电池领域取得了重大突破。他和他在斯坦福大学的同事共同发现了一种层状电极材料,在硫化钛薄片之间储存锂离子。锂离子可以在电极之间来回穿梭,具有充电能力,并且可以在室温下工作。威丁厄姆用化学术语“嵌入”来命名这种存储方法。这条消息引起了广泛的关注。石油巨头埃克森美孚邀请惠廷翰基于他在斯坦福的工作秘密开发新电池。1976年,埃克森美孚申请锂电池专利。

在此之前的60年里,消费电子产品的标准电池是一次性碳锌电池。(与之相比,铅酸电池又大又重,只能用在汽车上。)也使用镍镉电池。惠廷翰的成就在重量轻和充满电方面超过了这两种电池。如果研究成功,它将能够为更小、更便携的设备供电。

然而,还有另一个没有被突破的物理定律——锂电池的电化学反应使其容易爆炸——当过度充电时,电池可能会自燃。此外,电池在反复充放电过程中会逐渐衰减。实验室爆炸和电池衰变的问题困扰着惠廷翰的工作。

古德诺认为他可以设计出一种更有效的电池,而且没有致命的缺陷。

美孚的电池使用硫化钛作为锂离子储存的负极材料。古德托非常熟悉麻省理工学院的金属氧化物材料。根据他的判断,氧化物电极允许更高的充放电电压。根据物理定律,可以储存更多的能量,而且不容易爆炸。这值得一试。

但是还有另一个潜在的问题。电极之间储存的可移动锂离子越多,电极释放的能量就越多。如果锂占阴极材料的很大一部分,当锂离子转移到阳极时,由于大量离子空洞的损失,阴极可能会坍塌。有金属氧化物能承受这种影响吗?如果是,会是哪一个?这种材料与锂的比率是多少?

古德托指导两名博士后助理研究一系列金属氧化物结构。他要求他的助手们确定锂解离所需的电压(他的期望值远远高于惠廷厄姆电池的2.2v)和游离锂离子的比例。

结果表明,电极可以承受4伏的电压,一半的锂是游离的。这对可重复使用的电池来说已经足够了。在测试的氧化物中,他们发现氧化钴是最好和最稳定的材料。

1980年,古德布尔抵达牛津四年后,锂电池钴氧化物阴极材料取得了巨大突破。

这是世界上第一个能够为大型复杂设备供电的锂离子电池。它的质量远远高于超市里的其他电池。这种电池储存的能量是市场上室温充电电池的2到3倍。它不仅更小,而且具有相同甚至更好的性能。

1982年,约翰·古德·伊纳夫(前排左二)和他的同事在牛津大学合影。

1991年,索尼将古德伊尔的阴极和碳阳极技术相结合,生产出了世界上第一个商用可充电锂离子电池,一夜之间引起了全球轰动。索尼还将锂离子电池应用于相机。更轻、更漂亮的索尼相机很快在各地流行起来。

索尼的竞争对手也很快推出了类似的电池和手持相机,并将锂离子电池应用于笔记本电脑和手机,形成了每年数十亿美元的产业。索尼的突破引发了锂离子电池的研究热潮。世界各地的实验室都在寻找体积更小、储能更多的锂离子电池结构。

在此之前,没有人预料到这项研究会有如此巨大的商业市场。

在普通的钴阴极材料中,原子层层堆叠,储存在其中的锂离子只能在原子层之间移动。古德托认为尖晶石原子的排列允许离子在三维空间中移动,从而允许更多的离子进出电极板的方式,提高充放电速度。

1982年,牛津古德大学博士后助理米基沙克雷发明了一种更先进的锰尖晶石电极。与一年前古德伊尔的氧化钴电极相比,这种电极更安全、更便宜。

帕迪和冈田是日本ntt公司古德托实验室的研究员,他们正在寻找更好的尖晶石材料。

他们尝试了不同的材料,如钴、锰和钒,但没有成功。最后,他们的名单上只剩下一种磷铁化合物。不错,他们最终只能选择尖晶石。他把这个想法告诉了帕迪,然后去度假了。

古德在回来时从帕迪那里得知,正如他所预测的,帕迪没有获得尖晶石结构。然而,他发现了一种新的自然形成的橄榄石结构,并成功地从橄榄石结构中提取和回收锂离子。经过检查,古德托的发现令人惊讶。

这是第三次了!

首先是氧化钴,其次是尖晶石,现在是磷酸铁。古德托的实验室已经生产了三种主要的商业化锂离子电池负极材料。

虽然帕迪的研究成果被日本ntt研究员志贺图卡达窃取,但他是第一个在日本申请专利的人。古德诺实验室被迫卷入了与日本ntt公司和明昌教授a123公司的专利纠纷。然而,业界普遍认为所有技术都源自古德伊尔的实验室。

现在,90多岁的古德先生仍然每天去奥斯汀的德克萨斯大学的小办公室。对此,他解释道:“我的工作还没有完成。氧化钴阴极发明三十五年后,电动汽车在价格上仍然无法与传统内燃机竞争。太阳能和风力发电的储存成本太高,只能立即使用。我们的前景并不乐观:尽管现在石油价格很低,但根据商品价格波动的周期性规律,其价格必然会上涨;与此同时,气候变化问题越来越严重。”

简而言之,世界需要超级电池。古德说:“否则,我只能说未来我们将通过战争为最后的能源而战,全球变暖也将发展到无法控制的程度。”

这项研究的风险很大。然而,古德反驳了许多相互竞争的研究方法。

例如,在他看来,特斯拉的elonmusk只满足于“向好莱坞的富人出售电动汽车”,并将适合中产阶级的汽车电池研究移交给其他科学家。尽管这一指控并不完全正确。

good today还鄙视那些每年只能提高电池效率7%~8%的研究。他说,“我们需要一些显而易见的进展,一次一点。”

超级电池的发展确实非常困难。古德说每个人都应该继续努力突破。然而,包括他自己在内,没有人确信这次会成功,但是他没有放弃。他指出,在毁灭性的能源危机和环境问题到来之前,我们还有30年的时间来开发和商业化新电池。他认为有足够的时间。他说:“许多人正在研究锂电池。这些人非常聪明。我不敢说我是唯一能解决这个问题的人。”

然而,他有可能解决这个问题。这也是为什么那些认识他的人已经足够密切地关注约翰班尼斯特了。古德托正在和博士后助理一起研究一个新想法。他说:“我想在死前解决这个问题。我才90多岁,还有时间。”