【诺贝尔化学奖】研究锂离子电池广泛用于手机 英美日三学者获奖

撰文: 陈博悟
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诺贝尔委员会10月9日公布2019年化学奖得主,由德裔美籍化学家古迪纳夫(John Goodenough)、英国学者惠廷厄姆(M. Stanley Whittingham),以及日本化学家吉野彰获得,以表扬他们对锂离子电池的研究。
现年97岁的古迪纳夫更打破了2018年物理学奖得主阿什基恩(Arthur Ashkin)的纪录,成为最年长诺贝尔得奖者。

诺贝尔委员会表扬三人对于锂离子电池发展的贡献,并指锂离子电池为人类生命带来革命性转变。委员会指出,这种可充电电池为众多无线电子零件,例如手提电话和手提电脑等奠下基础;同时以电动汽车为例,指锂电池使无化石燃料的世界变得可能。

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传统的锂电池不能充电,而且是透过电池中电极所进行的化学反应而产生电力,电极最终会“耗尽”而没电。反之锂离子电池(lithium-ion battery)是利用带有正电荷的锂离子,在电池中的阳极与阴极之间流动来发电,只要电池中的物料能够“储起”锂离子,经充电后电池便能再次使用。故此得奖的3名化学家不断对锂离子电池的物料和制造方法进行改良。

石油危机引发研究电池兴趣

早在1970年代石油危机期间,惠廷厄姆便致力研究不需采用化石燃料的技术,他留意到锂(lithium)的特殊电子层结构及其反应性,配合高导电率的二硫化钛(titanium disulphide),成功制造首个锂电池。当中二硫化钛的分子结构刚好使其能够“嵌入”(intercalate)释出的锂离子。惟采用金属锂的电池太易发生爆炸,而且这种电池仅能产生2伏特左右的电力。

其后古迪纳夫预言如果电池中的阴极采用金属氧化物,比起硫化物更能将电池的电势(potential)提升。经过系统性研究后,他在1980年成功利用氧化钴(cobalt oxide)制造的阴极,配合金属锂,制造出能生产约4伏特电力的电池。

根据惠廷厄姆和古迪纳夫的研究,吉野彰提出以提炼石油时剩下的石油焦(petroleum coke),取代易爆炸的纯金属锂来制造阳极,结果成功在1985年制造出首个可行的商业用锂离子电池,亦大大提高了这种电池的安全性。

2018年度的化学奖由美国学者阿诺德(Frances H. Arnold)、史密斯(George P. Smith)以及来自英国的温特(Gregory P. Winter)获得,分别表扬阿诺德对酶定向进化的贡献,以及另外两人对“噬菌体展示”技术的研究。前者的研究有助于开发更环保的生物燃料,后者则协助制造新抗体及药物。

诺贝尔化学奖原为表扬在化学领域有最重要发现或发明的科学家,但随诺奖委员会决定将生物化学(biochemistry)和分子生物学(molecular biology)列入化学领域,不少化学家就批评,奖项非由“纯正”的化学家获得。不过也有学者指出,这正好反映了化学的影响无远弗届。

诺贝尔奖委员会已分别公布医学奖和物理学奖得主。医学奖得奖者为美国癌症学家凯林(William G. Kaelin Jr)、英国医学家拉特克利夫(Sir Peter J. Ratcliffe),以及美国医学家塞门扎(Gregg L. Semenza),以赞扬他们发现为了解氧气水平如何影响细胞代谢和生理功能奠定基础;物理学奖得主分别为研究宇宙演化理论的加拿大物理学家皮布尔斯(James Peebles),以及研究系外行星的瑞士天文学家马约尔(Michel Mayor)及奎洛兹(Didier Queloz)

2019年诺贝尔奖名单公布时间表:

文学奖:10月10日最快在下午7时

和平奖:10月11日最快在下午5时

经济学奖:10月14日最快在5时45分