2019年诺贝尔化学奖(共32张PPT)
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• 钴酸锂使得古迪纳夫一跃成为炙手可热的化学家。
• 1986年,他回到了祖国,进入德克萨斯州 大学奥斯丁分校,继续他的研究。当大家 都以为这个教授准备在德州安心养老时, 谁都没发现他已经将目光转向了另一个材 料。
因为牛津有65岁强制退休政 策,所以赶在64岁的时候跑 去了得克萨斯,继续科研直 到今天。
励志老爷爷+好好先生
90岁时,还在德州大学 奥斯汀分校任教。当时 的他还每天坚持自己开 车上班,而且几乎每天 都是第一个到办公室了。 他每天还要回家照顾已 经失忆、行动不便的妻 子。
• 古迪纳夫,开始读博, 30岁。
• 还算幸运,
。顺便一
提,齐纳在30岁时已经发明了齐纳二极管,享誉业界。
• 在芝加哥这几年,古迪纳夫的研究领域是固体物理,并在 这里打下了坚实的理论基础。芝大毕业后,他被推荐去了 麻省理工的林肯实验室,主攻固体磁性的相关研究。在这 里,古迪纳夫的天赋与功底得到充分发挥,他对随机存取 存储器的发展做了贡献,这个技术就是后来的电脑内存。 他甚至还和别人合作,冠名了一个固体磁性的规则—— Goodenough-Kanamori规则。还是在这里,
但是,他并没有选择休 息。
最高龄的诺贝尔奖得主
“我们有些人就wenku.baidu.com是乌龟,走得慢,一路挣扎,到了而立之年 还找不到出路。但乌龟知道,他必须走下去。”
年轻时候的古迪纳夫
• 1922年出生,他的父亲是大学历史老师,他还有一个年长三岁的哥哥。 虽然家境富足,但他的童年似乎并不开心,按他的说法,自己童年唯 一的玩伴叫Mack,是一条狗。
• 缺点如此明显的锂离子电池,实在不足以将人类引领到未 来。所以,古迪纳夫又毅然投入到全新的电池研究中。他 脑海中下一个可能改变世界的创新,就是全固态电池。
• 当做出这个决定时,他90岁。
全固态电池将原先的液态有机电解池换成一种全新的固态电解质。固 态电解质不仅能够保证原有的储电性能,还能防止枝晶问题的产生, 而且更安全,更廉价。 这个设想一直在古迪纳夫的脑海中盘旋,
那么,这么好的 东西,
是谁发明出来的 呢?
于是,从1991年起, 电子行业掀起了一场革命。
我们的移动设备陆续用上 了
轻便、清洁、安全、实惠 的 锂离子电池! 人类社会的能源体系, 从此开始向新的时代迈进!
然而,故事并没有结束。 第2棒选手古迪纳夫, 已经快要100岁了。 他的一生早已功成名就, 完全可以安享晚年。
• 问世还不到半年,这种锂电池就因为起火爆炸的问题,而 被全球召回。从此,Moli公司一蹶不振。这个短暂霸占全 球电池市场的公司昙花一现,最后被日本NEC公司收购。
• 锂电池使用的电极材料金属锂,是世间最活泼的元素之一, 极易燃烧,甚至与氮气都能发生反应。这样的特性极大拔 高了锂电池的技术要求:生产组装过程中稍有不慎,泄进 了空气,轻则电池报废,重则起火燃烧。而在肉眼看不到 的地方,还有一个更大的隐患。因为动力学等因素,锂金 属表面会形成一些“小毛刺”,叫做枝晶。随着在电池的 使用,这些枝晶会越长越大,最终会刺破电池正负极之间 的隔膜,造成短路,引起电池自燃。
趣味化学开课啦
2019年
趣味化学第三课
2019年诺贝尔化学奖
今年的诺贝尔化学奖授予了 约翰·B·古迪纳夫、 ,以表彰他们在锂离子电池发
展上所做的工作 。
• 假如世界上没有锂电池,你的手机可能长 这样。
也有可能是这样的
当然,这是个玩 笑。
但无论如何,跟 其他电池相比,
锂离子电池是不 可替代的。
• 钴酸锂虽然储能性能好,安全性也不错,但是仍不是一个十全十美的 材料。
• 一个原因是在长时间使用后,钴酸锂的层状结构容易崩塌,就好比汉 堡中间的牛排被抽出,两层面包自然要塌到一起。崩塌的层之间无法 再进行锂离子的存储,造成电池整体的性能衰减。
• 另一个原因是钴酸锂实在太贵。钴元素本身就是一种战略资源,产地 只有非洲和美洲一些小国,随着锂离子电池日益兴盛,对钴的需求更 是与日俱增,从而极大提高了钴酸锂的成本。
• 1970年代后期,有一种电池因为使用金属锂作为电极,而 被称为锂电池。同样质量下,锂电池能比其他电池储存更 多的电能,因此很受市场青睐,比如当时“大哥大”手机 使用的就是这种锂电池。
• 持有锂电池技术的是一家加拿大公司,名叫Moli Energy。 正当他们准备大干一场的时候,却传来了噩耗——锂电池 存在严重的安全隐患!
• 毕业后,二战爆发,古迪纳夫加入了美国空军,不过他没 当成飞行员,而是被派到太平洋的一个海岛上收集气象数 据。
• 退役后的他选择去芝加哥大学进修物理。当时录取他的面 试官有点瞧不上这个吹了四年海风的大龄青年, ”
• 这话说的没错,那个年代风靡全球的智慧领袖们,哪个不 是英姿勃发,爱因斯坦26岁提出相对论,爱迪生32岁点亮 了白炽灯,居里夫人36岁时已经拿到了诺贝奖。
古迪纳夫认为这种玻璃是上帝赐予他的一个礼物:
很快,古迪纳夫的全固态电池初见端倪,相关的研究成果已经被多个 权威刊物报道。虽然处于起步阶段,但古迪纳夫对这个方向充满了信 心。。
今年他97岁,几乎得到了一个科学家能得到的所有荣誉。但是, 古迪纳夫从来没觉得自己已经good enough了,他只是不断收集 线索,继续向前。
• 很快,索尼将钴酸锂和石墨结合,开发出了全新的可充电 锂电池。整个电池中没有纯锂,因此安全性得到了很大提 升。
• 由于电池中仅存在锂的离子状态,这类电池被称为锂离子 电池(Lithium ion battery)。高性能,低成本,安全性好, 这种锂离子电池一经问世立刻受到了欢迎,帮助索尼一跃 成为行业老大。我们今天所使用的绝大部分锂离子电池仍 然延续这一架构,近30年来再没有大的改动,这种钴酸锂 -石墨体系的性能之优异可见一斑。
• 此时,远在牛津的古迪纳夫正进行着自己 的研究。虽然只学过两门化学课,但凭着 过硬的固体物理功底,古迪纳夫居然在化 学系也算站稳了脚跟,正在一门心思研究 着一种神奇的材料——钴酸锂。
• 如果把钴酸锂想象成一个汉堡包,钴-氧构成了两片面包,那么,锂 原子就是中间的牛排,能被很轻松地抽出。正因如此,这种钴酸锂可 以取代金属锂,作为电池中锂离子的提供者。而且,这种氧化物可以 拔高电池的使用电压,从而提升电池储存的电量。更为重要的是,钴 酸锂的对空气等不敏感,在金属锂这个发疯的公牛面前,钴酸锂乖巧 的如同得到了棒棒糖的小孩。而枝晶问题在钴酸锂中也得到了改善。 在一定的使用时长下,钴酸锂是一种安全系数很高的电极材料。
• “高考”前夕,古迪纳夫的父母离婚了,他爸娶了自己的研究助手。 但古迪纳夫还是咬牙考进了入耶鲁。事后回忆,他觉得进入大学这种 对家庭的逃离让他松了口气。
• 在耶鲁的日子,他过得不错。先是学习古典文学,之后转到了哲学。 后来,古迪纳
夫碰到一个数学教授,看他天赋异禀,就鼓励他学习数学。他听从了 建议,毕业的时候取得了数学学士学位。 • 短短几年间,就换了四五个专业方向,这似乎也对他随后的生涯做出 了某种预示。
• 稳定性和高成本始终拦在钴酸锂的前方。直到1997年,古迪纳夫又一 次让世界震动了。这一年,他拿出的材料叫做磷酸铁锂。
• 这年他75岁。
• 相较于钴酸锂的层状结构,LFP的空间骨架结构更稳定, 锂离子在骨架的通道中也能快速移动。同时,LFP的成分 是极其廉价的铁与磷,价格远低于钴。
• 虽然LFP也存在着不足之处,比如它的储能效果比钴酸锂 要差一点,但它的稳定性和低成本迅速吸引了产业界的注 意。
• 1976年,牛津大学化学系恰好出现了一个空缺。凭借在 林肯实验室的出色工作,古迪纳夫得到了这个职位,成了 无机化学实验室主任。
• 这年,他54岁。 • 初到英国, 古迪纳夫努力适应着阴郁的天气和寡淡的饭
菜,从未想过这里将会是他人生的重要转折点:在这里, 他的研究领域转到了电池。
接下来,我们谈谈电池
但是因为之前的爆炸事故,没人愿意接这个领域,牛津甚至不愿帮忙 申请专利,最终把专利送给了一个政府实验室。后来专利被索尼买走 继续开发,成为了今天各种便携设备电池的基础,而Goodenough没 有拿到钱。
• 1980年代末期的索尼手头已经发明了用作锂电池负极的石 墨。这种石墨价格低廉,结构稳定,是十分理想的电极材 料,只是苦于没有合适的正极与之匹配。古迪纳夫的钴酸 锂简直如同一道光,照亮了索尼的前程。
• 1986年,他回到了祖国,进入德克萨斯州 大学奥斯丁分校,继续他的研究。当大家 都以为这个教授准备在德州安心养老时, 谁都没发现他已经将目光转向了另一个材 料。
因为牛津有65岁强制退休政 策,所以赶在64岁的时候跑 去了得克萨斯,继续科研直 到今天。
励志老爷爷+好好先生
90岁时,还在德州大学 奥斯汀分校任教。当时 的他还每天坚持自己开 车上班,而且几乎每天 都是第一个到办公室了。 他每天还要回家照顾已 经失忆、行动不便的妻 子。
• 古迪纳夫,开始读博, 30岁。
• 还算幸运,
。顺便一
提,齐纳在30岁时已经发明了齐纳二极管,享誉业界。
• 在芝加哥这几年,古迪纳夫的研究领域是固体物理,并在 这里打下了坚实的理论基础。芝大毕业后,他被推荐去了 麻省理工的林肯实验室,主攻固体磁性的相关研究。在这 里,古迪纳夫的天赋与功底得到充分发挥,他对随机存取 存储器的发展做了贡献,这个技术就是后来的电脑内存。 他甚至还和别人合作,冠名了一个固体磁性的规则—— Goodenough-Kanamori规则。还是在这里,
但是,他并没有选择休 息。
最高龄的诺贝尔奖得主
“我们有些人就wenku.baidu.com是乌龟,走得慢,一路挣扎,到了而立之年 还找不到出路。但乌龟知道,他必须走下去。”
年轻时候的古迪纳夫
• 1922年出生,他的父亲是大学历史老师,他还有一个年长三岁的哥哥。 虽然家境富足,但他的童年似乎并不开心,按他的说法,自己童年唯 一的玩伴叫Mack,是一条狗。
• 缺点如此明显的锂离子电池,实在不足以将人类引领到未 来。所以,古迪纳夫又毅然投入到全新的电池研究中。他 脑海中下一个可能改变世界的创新,就是全固态电池。
• 当做出这个决定时,他90岁。
全固态电池将原先的液态有机电解池换成一种全新的固态电解质。固 态电解质不仅能够保证原有的储电性能,还能防止枝晶问题的产生, 而且更安全,更廉价。 这个设想一直在古迪纳夫的脑海中盘旋,
那么,这么好的 东西,
是谁发明出来的 呢?
于是,从1991年起, 电子行业掀起了一场革命。
我们的移动设备陆续用上 了
轻便、清洁、安全、实惠 的 锂离子电池! 人类社会的能源体系, 从此开始向新的时代迈进!
然而,故事并没有结束。 第2棒选手古迪纳夫, 已经快要100岁了。 他的一生早已功成名就, 完全可以安享晚年。
• 问世还不到半年,这种锂电池就因为起火爆炸的问题,而 被全球召回。从此,Moli公司一蹶不振。这个短暂霸占全 球电池市场的公司昙花一现,最后被日本NEC公司收购。
• 锂电池使用的电极材料金属锂,是世间最活泼的元素之一, 极易燃烧,甚至与氮气都能发生反应。这样的特性极大拔 高了锂电池的技术要求:生产组装过程中稍有不慎,泄进 了空气,轻则电池报废,重则起火燃烧。而在肉眼看不到 的地方,还有一个更大的隐患。因为动力学等因素,锂金 属表面会形成一些“小毛刺”,叫做枝晶。随着在电池的 使用,这些枝晶会越长越大,最终会刺破电池正负极之间 的隔膜,造成短路,引起电池自燃。
趣味化学开课啦
2019年
趣味化学第三课
2019年诺贝尔化学奖
今年的诺贝尔化学奖授予了 约翰·B·古迪纳夫、 ,以表彰他们在锂离子电池发
展上所做的工作 。
• 假如世界上没有锂电池,你的手机可能长 这样。
也有可能是这样的
当然,这是个玩 笑。
但无论如何,跟 其他电池相比,
锂离子电池是不 可替代的。
• 钴酸锂虽然储能性能好,安全性也不错,但是仍不是一个十全十美的 材料。
• 一个原因是在长时间使用后,钴酸锂的层状结构容易崩塌,就好比汉 堡中间的牛排被抽出,两层面包自然要塌到一起。崩塌的层之间无法 再进行锂离子的存储,造成电池整体的性能衰减。
• 另一个原因是钴酸锂实在太贵。钴元素本身就是一种战略资源,产地 只有非洲和美洲一些小国,随着锂离子电池日益兴盛,对钴的需求更 是与日俱增,从而极大提高了钴酸锂的成本。
• 1970年代后期,有一种电池因为使用金属锂作为电极,而 被称为锂电池。同样质量下,锂电池能比其他电池储存更 多的电能,因此很受市场青睐,比如当时“大哥大”手机 使用的就是这种锂电池。
• 持有锂电池技术的是一家加拿大公司,名叫Moli Energy。 正当他们准备大干一场的时候,却传来了噩耗——锂电池 存在严重的安全隐患!
• 毕业后,二战爆发,古迪纳夫加入了美国空军,不过他没 当成飞行员,而是被派到太平洋的一个海岛上收集气象数 据。
• 退役后的他选择去芝加哥大学进修物理。当时录取他的面 试官有点瞧不上这个吹了四年海风的大龄青年, ”
• 这话说的没错,那个年代风靡全球的智慧领袖们,哪个不 是英姿勃发,爱因斯坦26岁提出相对论,爱迪生32岁点亮 了白炽灯,居里夫人36岁时已经拿到了诺贝奖。
古迪纳夫认为这种玻璃是上帝赐予他的一个礼物:
很快,古迪纳夫的全固态电池初见端倪,相关的研究成果已经被多个 权威刊物报道。虽然处于起步阶段,但古迪纳夫对这个方向充满了信 心。。
今年他97岁,几乎得到了一个科学家能得到的所有荣誉。但是, 古迪纳夫从来没觉得自己已经good enough了,他只是不断收集 线索,继续向前。
• 很快,索尼将钴酸锂和石墨结合,开发出了全新的可充电 锂电池。整个电池中没有纯锂,因此安全性得到了很大提 升。
• 由于电池中仅存在锂的离子状态,这类电池被称为锂离子 电池(Lithium ion battery)。高性能,低成本,安全性好, 这种锂离子电池一经问世立刻受到了欢迎,帮助索尼一跃 成为行业老大。我们今天所使用的绝大部分锂离子电池仍 然延续这一架构,近30年来再没有大的改动,这种钴酸锂 -石墨体系的性能之优异可见一斑。
• 此时,远在牛津的古迪纳夫正进行着自己 的研究。虽然只学过两门化学课,但凭着 过硬的固体物理功底,古迪纳夫居然在化 学系也算站稳了脚跟,正在一门心思研究 着一种神奇的材料——钴酸锂。
• 如果把钴酸锂想象成一个汉堡包,钴-氧构成了两片面包,那么,锂 原子就是中间的牛排,能被很轻松地抽出。正因如此,这种钴酸锂可 以取代金属锂,作为电池中锂离子的提供者。而且,这种氧化物可以 拔高电池的使用电压,从而提升电池储存的电量。更为重要的是,钴 酸锂的对空气等不敏感,在金属锂这个发疯的公牛面前,钴酸锂乖巧 的如同得到了棒棒糖的小孩。而枝晶问题在钴酸锂中也得到了改善。 在一定的使用时长下,钴酸锂是一种安全系数很高的电极材料。
• “高考”前夕,古迪纳夫的父母离婚了,他爸娶了自己的研究助手。 但古迪纳夫还是咬牙考进了入耶鲁。事后回忆,他觉得进入大学这种 对家庭的逃离让他松了口气。
• 在耶鲁的日子,他过得不错。先是学习古典文学,之后转到了哲学。 后来,古迪纳
夫碰到一个数学教授,看他天赋异禀,就鼓励他学习数学。他听从了 建议,毕业的时候取得了数学学士学位。 • 短短几年间,就换了四五个专业方向,这似乎也对他随后的生涯做出 了某种预示。
• 稳定性和高成本始终拦在钴酸锂的前方。直到1997年,古迪纳夫又一 次让世界震动了。这一年,他拿出的材料叫做磷酸铁锂。
• 这年他75岁。
• 相较于钴酸锂的层状结构,LFP的空间骨架结构更稳定, 锂离子在骨架的通道中也能快速移动。同时,LFP的成分 是极其廉价的铁与磷,价格远低于钴。
• 虽然LFP也存在着不足之处,比如它的储能效果比钴酸锂 要差一点,但它的稳定性和低成本迅速吸引了产业界的注 意。
• 1976年,牛津大学化学系恰好出现了一个空缺。凭借在 林肯实验室的出色工作,古迪纳夫得到了这个职位,成了 无机化学实验室主任。
• 这年,他54岁。 • 初到英国, 古迪纳夫努力适应着阴郁的天气和寡淡的饭
菜,从未想过这里将会是他人生的重要转折点:在这里, 他的研究领域转到了电池。
接下来,我们谈谈电池
但是因为之前的爆炸事故,没人愿意接这个领域,牛津甚至不愿帮忙 申请专利,最终把专利送给了一个政府实验室。后来专利被索尼买走 继续开发,成为了今天各种便携设备电池的基础,而Goodenough没 有拿到钱。
• 1980年代末期的索尼手头已经发明了用作锂电池负极的石 墨。这种石墨价格低廉,结构稳定,是十分理想的电极材 料,只是苦于没有合适的正极与之匹配。古迪纳夫的钴酸 锂简直如同一道光,照亮了索尼的前程。