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科學與生活
-本文是連載的第三篇。
今天（2019年10月9日）《科學》（Science）雜誌網站刊登一篇新聞，題目是“Nobel Prize in Chemistry goes to development of lithium batteries（諾貝爾化學獎頒給鋰電池的開發）”
文章說：您的口袋裏可能有諾貝爾獎的證據。今年的諾貝爾化學獎授予了鋰離子電池的先驅，這項發明已在為現代生活提供動力的無線電子設備中無處不在：您的手機、筆記本電腦，有時甚至是汽車。與過去的鉛和鎳鎘電池相比，鋰離子電池更輕巧，更緊湊，並且經過進一步的修補，可以提供一條為家庭，飛機甚至電網供電的能量存儲途徑。
90萬美元的獎金由三位科學家分配：位於賓漢頓的紐約州立大學的斯坦利·惠廷漢姆（Stanley Whittingham），得克薩斯州奧斯汀的德克薩斯大學的約翰·古德納夫（John Goodenough）和位於東京的旭化成公司的吉野彰。現年97歲的古德納夫是諾貝爾獎曆史上年齡最大的獲得者。
麻省理工學院的邵陽（Yang Shao-Horn）說：“鋰離子電池對我們的社會產生了巨大的影響。我很激動。”
像所有液體離子電池一樣，鋰離子電池包含兩個電極（陽極和陰極），由液體電解質隔開，從而使離子來回移動。在放電過程中，陽極處的鋰原子儲備釋放電子，以產生用於外部電路的電流。產生的帶正電的鋰離子流入電解質，而電子從其反回到陰極，在那裏它們通常被金屬氧化物材料吸收。鋰離子在陰極吸附到金屬原子上。充電使流動反向，推動鋰離子與金屬原子一起分離並返回陽極。
70年代，惠廷漢姆（Whittingham）是最早意識到鋰潛力的人之一，鋰是一種元素金屬，在其最外層的原子殼中具有一個“鬆散”的電子，可以輕鬆地將其釋放。但這也使鋰具有高反應性：即使暴露於空氣中的水，它也會點燃，有時會爆炸。惠廷漢姆在埃克森美孚工作時發現，二硫化鈦可以很好地用作陰極：鋰離子可以將自己嵌入其分層結構中。1976年，惠廷漢姆展示了一個可工作的2.5伏電池。但是，隨著它經曆多個充電周期，鋰的須狀卷須或樹枝狀晶體在整個電解液中生長。當它們到達陰極時，電池短路，有時會引起火災。
後來在英國牛津大學任教的古德納夫（Goodenough）接任了這項任務。他意識到，如果陰極是由金屬氧化物而不是金屬硫化物製成的，那麽陰極可以吸收更多的返回電子。這些化合物也呈層狀，在吸收或釋放鋰離子時不會明顯膨脹或收縮。他發現氧化鈷效果很好，並在1980年發布了4伏電池的結果，其電壓幾乎是惠廷漢姆的兩倍。
日本的研究人員一直在尋找可以為縮小的無線設備供電的電池。（索尼的Walkman於1979年首次亮相。）吉野作出了巨大貢獻：他找到了一種方法來製造一種並非由純鋰製成的陽極，因為它易於生長出樹枝狀晶體。在嚐試了不同的材料後，他發現他可以將鋰離子嵌入石油焦的碳層中。吉野的電池可以媲美古德納夫的性能，但更安全，可以承受數百次充電循環。 1991年，一家日本公司開始銷售首批商用鋰離子電池。
通過獲獎者的工作，“我們獲得了一場技術革命：真正的便攜式電子產品，”瑞典隆德大學的Sara Snogerup Linse說。
研究人員繼續修改陽極，陰極和電解質的化學配方，以提高電池的功率和耐用性。如今，鋰離子通常保存在石墨的陽極框架內，但一些研究人員正在研究由矽製成的陽極，該陽極可以容納更多的鋰離子。其他人正在研究不同的陰極材料。硫是有希望的，因為它比金屬氧化物便宜並且可以容納更多的電子-如果隻有研究人員可以阻止硫與鋰離子發生反應。依靠空氣中的氧氣來氧化陰極上的鋰的鋰空氣電池被認為是另一種有前途的解決方案。
牛津大學化學家，皇家化學學會主席卡羅爾·羅賓遜在倫敦說：“這並不是旅程的終點??，因為鋰是一種有限的資源，世界上許多科學家正在這三位傑出的化學家奠定的基礎上發展”。
如果科學家們能夠在容量，成本，尺寸和重量之間找到適當的平衡，則有些人認為這些未來類型的鋰電池可以構成綠色電網的基礎，為可再生能源提供能量存儲，以吸收太陽能和風能。排放源正在達到頂峰，並在夜幕降臨和風勢減弱時釋放能量。吉野今天在新聞發布會上說：“我認為這可能是對可持續性環境問題的最大貢獻。”
文章的末尾付了曾發表在《科學》和《科學進展》上的四篇相關論文，見文末[1]-[4]。
約翰·古德納夫（John Goodenough）1922年7月25日出生在德國，美國固體物理學家，是二次電池產業的重要學者。古德納夫1944年在耶魯大學獲得數學學士學位，後在芝加哥大學獲得碩士和博士學位。他目前是美國德州大學奧斯汀分校的機械工程和材料科學教授。
1979年，古德納夫（Goodenough）證明，通過使用鈷酸鋰作為鋰離子可充電電池的陰極[5]，可以使用金屬鋰以外的陽極實現高密度的儲能。這一發現導致了富含碳的材料的開發，該材料允許在鋰離子電池中使用穩定且易於管理的負極。
古德納夫於1952年在麻省理工學院的林肯實驗室開始了他的職業生涯，在那裏他為數字計算機的隨機存取存儲器（RAM）的開發奠定了基礎。離開麻省理工學院後，他成為牛津大學教授和無機化學實驗室負責人。在此期間，古德納夫發現了鋰離子。
古德納夫獲得了許多國家和國際榮譽，包括日本獎、恩裏科·費米獎和國家科學獎章。2014年古德納夫、吉野彰以及西美緒、拉奇德·雅紮米四人曾獲得查爾斯·斯塔克·德拉普爾獎（Charles Stark Draper Prize），這是美國工程學界最高獎項之一。該獎由美國國家工程學院頒發，被認為是“工程學界的諾貝爾獎”之一。所以人們對諾貝爾化學獎頒給鋰電池的三位開發先驅並不感到意外，多年來呼聲一直很高。
從文獻[1]可以看出：97歲高齡的古德納夫2019年仍然在指導8位華人做科研。
文獻[2]的Yang Shao-Horn（邵陽）1992年畢業於北京工業大學，1998年在密西根理工大學（Michigan Technological University）獲得博士學位，現在是麻省理工學院的能源教授。
文獻[3]Yun-Hui Huang 華中科技大學的黃雲輝教授，畢業於北京大學，與古德納夫共同署名多篇文章。
本文部分內容摘譯自[6]。
注：引用請注明“文學城”，歡迎批評指正。
[1] Xiang Li, Hao Wang,Zhiming Cui, Yutao Li, Sen Xin, Jianshi Zhou, Youwen Long, Changqing Jin and John B. Goodenough,"Exceptional oxygen evolution reactivities on CaCoO3 and SrCoO3（CaCoO3和SrCoO3具有出色的析氧活性）" Science Advances 5, 8 (09 Aug 2019)
[2] Jin Suntivich, Kevin J. May, Hubert A. Gasteiger, John B. Goodenough, Yang Shao-Horn, "A Perovskite Oxide Optimized for Oxygen Evolution Catalysis from Molecular Orbital Principles（從分子軌道原理出發優化氧釋放催化的鈣鈦礦氧化物）" Science 334, 6061 (09 Dec 2011)
[3] Yun-Hui Huang, Ronald I. Dass, Zheng-Liang Xing, John B. Goodenough, "Double Perovskites as Anode Materials for Solid-Oxide Fuel Cells（雙鈣鈦礦作為固體氧化物燃料電池的陽極材料）" Science 312, 5771 (14 Apr 2006)
[4] M. S. Whittingham, "Electrical Energy Storage and Intercalation Chemistry," Science 192, 4244 (11 Jun 1976)
[5] Mizushima, K.; Jones, P. C.; Wiseman, P. J.; Goodenough, J. B. (1980). "LixCoO2(0 ≤ x ≤ 1) Materials Research Bulletin. 15 (6): 783–789. doi:10.1016/0025-5408(80)90012-4.
[6] Nobel Prize in Chemistry Goes to John Goodenough of The University of Texas at Austin
