2019年诺贝尔化学奖(共32张PPT)

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。
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。
• 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，
• 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
• 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。
• 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。
• “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。
• 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！
• 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，
• 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。
• 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。
• 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。
• 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。
但是，他并没有选择休 息。
最高龄的诺贝尔奖得主
“我们有些人就像是乌龟，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。
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。
• 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。
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。
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Байду номын сангаас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。