Tre vinder Nobel i kemi for arbejdet med lithium-ion-batterier

Hvis du læser dette på en mobiltelefon eller bærbar computer, du kan takke årets tre prismodtagere for Nobelprisen i kemi for deres arbejde med lithium-ion-batterier.

Men batterierne udviklet af briterne, Amerikanske og japanske vindere, der gør disse enheder mulige, er langt mere revolutionerende end blot til on-the-go computing og opkald. De gennembrud, de tre opnåede, gjorde det også mere muligt at lagre energi fra vedvarende kilder, åbne en helt ny front i kampen mod global opvarmning.

"Dette er en meget ladet historie med et enormt potentiale, " sagde Olof Ramstrom fra Nobelkomiteen for kemi.

Prisen annonceret onsdag gik til John B. Goodenough, 97, en tyskfødt amerikansk ingeniørprofessor ved University of Texas; M. Stanley Whittingham, 77, en britisk-amerikansk kemiprofessor ved State University of New York i Binghamton; og Akira Yoshino, 71, af kemikalievirksomheden Asahi Kasei Corp. og Meijo University i Japan.

Æren, der tildeles de tre videnskabsmænd, er en slutsten af ​​en virkelig transformativ teknologi, der har gennemsyret milliarder af liv over hele planeten, inklusive alle, der bruger mobiltelefoner, computere, pacemakere, elbiler og mere.

"Hjertet i telefonen er det genopladelige batteri. Hjertet i det elektriske køretøj er det genopladelige batteri. Succesen og fiaskoen for så mange nye teknologier afhænger af batterierne, sagde Alexej Jerschow, en kemiker ved New York University, hvis forskning fokuserer på lithium-ion batteri diagnostik.

Whittingham udtrykte håb om, at Nobels søgelys kunne give et nyt skub i bestræbelserne på at imødekomme verdens glubende – og voksende – behov for energi.

"Jeg er overvældet af taknemmelighed over at modtage denne pris, og jeg har ærligt talt så mange mennesker at takke, Jeg ved ikke hvor jeg skal begynde, " sagde han i en erklæring udstedt af hans universitet. "Det er mit håb, at denne anerkendelse vil bidrage til at kaste et tiltrængt lys over nationens energifremtid."

Godt nok, der betragtes som en intellektuel gigant inden for faststofkemi og fysik, er den ældste person, der nogensinde har vundet en Nobelpris – ved siden af ​​Arthur Ashkin, som var 96, da han sidste år blev tildelt Nobel for fysik. Goodenough virker stadig hver dag.

"Det er det fine - de får dig ikke til at gå på pension i en bestemt alder i Texas. De giver dig mulighed for at fortsætte med at arbejde, " fortalte han journalister i London. "Så jeg har haft 33 år ekstra til at blive ved med at arbejde i Texas."

De tre havde hver især unikke gennembrud, der kumulativt lagde grundlaget for udviklingen af ​​et kommercielt genopladeligt batteri, at udskifte alkaliske batterier som dem, der indeholder bly eller zink, som havde deres oprindelse i det 19. århundrede.

Lithium-ion-batterier - de første virkelig bærbare og genopladelige batterier - tog mere end et årti at udvikle, og trak på arbejdet fra flere videnskabsmænd i USA, Japan og rundt omkring i verden.

Værket havde sine rødder i oliekrisen i 1970'erne, da Whittingham arbejdede på bestræbelser på at udvikle fossile brændselsfri energiteknologier. Han udnyttede lithiums enorme tendens - det letteste metal - til at give sine elektroner væk for at lave et batteri, der er i stand til at generere lidt over to volt.

I 1980, Goodenough havde fordoblet batteriets kapacitet til fire volt ved at bruge koboltoxid i katoden - en af ​​to elektroder, sammen med anoden, der udgør enderne af et batteri.

Men det batteri forblev for eksplosivt til almindelig kommerciel brug. Det var her Yoshinos arbejde i 1980'erne kom ind. Han erstattede petroleumskoks, et kulstofmateriale, i batteriets anode. Dette trin banede vejen for den første letvægter, sikker, holdbare og genopladelige kommercielle batterier, der skal bygges og komme på markedet i 1991.

"Vi har fået adgang til en teknisk revolution, " sagde Sara Snogerup Linse fra Nobelkomiteen for kemi. " Prismodtagerne udviklede lette batterier med højt nok potentiale til at være nyttige i mange applikationer - virkelig bærbar elektronik:mobiltelefoner, pacemakere, men også langdistance-elbiler."

"Evnen til at lagre energi fra vedvarende kilder - solen, vinden – åbner op for bæredygtigt energiforbrug, " tilføjede hun.

Taler på et pressemøde i Tokyo, Yoshino sagde, at han troede, der kunne være en lang ventetid, før Nobelkomiteen vendte sig til hans speciale - men han tog fejl. Han fortalte sin kone nyheden, der var lige så overrasket som han.

"Jeg talte kun kort med hende og sagde:'Jeg har det, ' og hun lød, at hun var så overrasket, at hendes knæ næsten gav efter, " han sagde.

Trioen vil dele 9 millioner kroner (918 $, 000) kontant præmie. Deres guldmedaljer og diplomer vil blive overrakt i Stockholm den 10. december – årsdagen for prisstifteren Alfred Nobels død i 1896.

På tirsdag, Den canadisk-fødte James Peebles vandt Nobels fysikpris for sine teoretiske opdagelser inden for kosmologi sammen med de schweiziske videnskabsmænd Michel Mayor og Didier Queloz, som blev hædret for at finde en exoplanet - en planet uden for vores solsystem - der kredser om en stjerne af soltypen.

• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 

Amerikanerne William G. Kaelin Jr. og Gregg L. Semenza og Storbritanniens Peter J. Ratcliffe vandt mandag Nobelprisen for fremskridt inden for fysiologi eller medicin. De blev citeret for deres opdagelser af "hvordan celler sanser og tilpasser sig ilttilgængeligheden."

To nobelpristagere skal offentliggøres torsdag – én for 2018 og én for 2019 – fordi sidste års pris blev suspenderet efter en sexmisbrugsskandale rystede Det Svenske Akademi. Den eftertragtede Nobels fredspris er fredag, og økonomiprisen offentliggøres på mandag.

---

Pressemeddelelse:Nobelprisen i kemi 2019

Det Kongelige Svenske Videnskabsakademi har besluttet at tildele Nobelprisen i kemi 2019 til

John B. Godt nok
University of Texas i Austin, USA

M. Stanley Whittingham
Binghamton University, State University of New York, USA

Akira Yoshino
Asahi Kasei Corporation, Tokyo, Japan
Meijo Universitet, Nagoya, Japan

"til udvikling af lithium-ion-batterier"

De skabte en genopladelig verden

Nobelprisen i kemi 2019 belønner udviklingen af ​​lithium-ion-batteriet. Denne lette, genopladeligt og kraftfuldt batteri bruges nu i alt fra mobiltelefoner til bærbare computere og elektriske køretøjer. Det kan også lagre betydelige mængder energi fra sol- og vindkraft, muliggør et samfund uden fossile brændstoffer.

Lithium-ion-batterier bruges globalt til at drive den bærbare elektronik, som vi bruger til at kommunikere, arbejde, undersøgelse, lytte til musik og søge viden. Lithiumion-batterier har også muliggjort udviklingen af ​​langrækkende elbiler og lagring af energi fra vedvarende kilder, som sol- og vindkraft.

Grundlaget for lithium-ion-batteriet blev lagt under oliekrisen i 1970'erne. Stanley Whittingham arbejdede på at udvikle metoder, der kunne føre til fossile brændselsfri energiteknologier. Han begyndte at forske i superledere og opdagede et ekstremt energirigt materiale, som han brugte til at skabe en innovativ katode i et lithiumbatteri. Dette blev lavet af titandisulfid, som, på molekylært niveau, har rum, der kan rumme – intercalate – lithium-ioner.

Batteriets anode var delvist lavet af metallisk lithium, som har en stærk drift til at frigive elektroner. Dette resulterede i et batteri, der bogstaveligt talt havde et stort potentiale, lidt over to volt. Imidlertid, metallisk lithium er reaktivt, og batteriet var for eksplosivt til at være levedygtigt.

John Goodenough forudsagde, at katoden ville have endnu større potentiale, hvis den blev lavet ved hjælp af et metaloxid i stedet for et metalsulfid. Efter en systematisk søgning, i 1980 demonstrerede han, at koboltoxid med interkalerede lithiumioner kan producere så meget som fire volt. Dette var et vigtigt gennembrud og ville føre til meget mere kraftfulde batterier.

Med Goodenoughs katode som basis, Akira Yoshino skabte det første kommercielt levedygtige lithium-ion-batteri i 1985. I stedet for at bruge reaktivt lithium i anoden, han brugte petroleumskoks, et kulstofmateriale, der ligesom katodens koboltoxid, kan interkalere lithiumioner.

Resultatet blev en letvægter, slidstærkt batteri, der kunne oplades hundredvis af gange, før dets ydeevne blev forringet. Fordelen ved lithium-ion-batterier er, at de ikke er baseret på kemiske reaktioner, der nedbryder elektroderne, men ved lithium-ioner, der flyder frem og tilbage mellem anoden og katoden.

Lithium-ion-batterier har revolutioneret vores liv, siden de først kom på markedet i 1991. De har lagt grundlaget for en trådløs, samfund uden fossilt brændstof, og er til den største fordel for menneskeheden.

---

Populærvidenskabelig baggrund

De udviklede verdens mest kraftfulde batteri

Nobelprisen i kemi 2019 tildeles John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham og Akira Yoshino for deres bidrag til udviklingen af ​​lithium-ion-batteriet. Dette genopladelige batteri lagde grundlaget for trådløs elektronik såsom mobiltelefoner og bærbare computere. Det gør også en verden fri for fossile brændstoffer mulig, da den bruges til alt fra at drive elbiler til at lagre energi fra vedvarende kilder.

Et element kommer sjældent til at spille en central rolle i et drama, men historien om 2019's Nobelpris i kemi har en klar hovedperson:lithium, et ældgammelt grundstof, der blev skabt under de første minutter af Big Bang. Menneskeheden blev opmærksom på det i 1817, da de svenske kemikere Johan August Arfwedson og Jöns Jacob Berzelius rensede det ud af en mineralprøve fra Utö Mine, i Stockholms skærgård.

Berzelius opkaldte det nye grundstof efter det græske ord for sten, lithos. På trods af det tunge navn, det er det letteste faste element, Derfor lægger vi næsten ikke mærke til de mobiltelefoner, vi nu har rundt på.

For at være helt korrekt – de svenske kemikere fandt faktisk ikke rent metallisk lithium, men lithium-ioner i form af et salt. Rent lithium har udløst mange brandalarmer, ikke mindst i den historie, vi her vil fortælle; det er et ustabilt element, der skal opbevares i olie, så det ikke reagerer med luft.

Lithiums svaghed – dets reaktivitet – er også dets styrke. I begyndelsen af ​​1970'erne, Stanley Whittingham brugte lithiums enorme drivkraft til at frigive sin ydre elektron, da han udviklede det første funktionelle lithiumbatteri. I 1980, John Goodenough fordoblede batteriets potentiale, skabe de rette betingelser for et langt mere kraftfuldt og brugbart batteri. I 1985, Akira Yoshino lykkedes med at fjerne rent lithium fra batteriet, i stedet baserer det udelukkende på lithium-ioner, som er sikrere end ren lithium. Dette gjorde batteriet brugbart i praksis. Lithium-ion-batterier har bragt den største fordel for menneskeheden, da de har muliggjort udviklingen af ​​bærbare computere, mobiltelefoner, elbiler og lagring af energi genereret af sol- og vindkraft.

Vi vil nu træde halvtreds år tilbage i tiden, til begyndelsen af ​​lithium-ion-batteriets højt ladede historie.

Benzintåge revitaliserer batteriforskning

I midten af ​​det 20. århundrede, antallet af benzindrevne biler i verden steg markant, og deres udstødningsgasser forværrede den skadelige smog, der findes i storbyerne. Det her, kombineret med den voksende erkendelse af, at olie er en begrænset ressource, slog alarm for både bilproducenter og olieselskaber. De var nødt til at investere i elektriske køretøjer og alternative energikilder, hvis deres virksomheder skulle overleve.

Elektriske køretøjer og alternative energikilder kræver begge kraftige batterier, der kan lagre store mængder energi. Der var egentlig kun to typer genopladelige batterier på markedet på dette tidspunkt:det tunge blybatteri, der var blevet opfundet tilbage i 1859 (og som stadig bruges som startbatteri i benzindrevne biler) og nikkel-cadmium-batteriet som blev udviklet i første halvdel af det 20. århundrede.

Olieselskaber investerer i ny teknologi

Truslen om at olien løb tør resulterede i en oliegigant, Exxon, beslutter at diversificere sine aktiviteter. I en større investering i grundforskning rekrutterede de nogle af datidens førende forskere inden for energi, give dem frihed til at gøre stort set, hvad de ville, så længe det ikke involverede olie.

Stanley Whittingham var blandt dem, der flyttede til Exxon i 1972. Han kom fra Stanford University, hvor hans forskning havde omfattet faste materialer med atomstore rum, hvori ladede ioner kan fæstne sig. Dette fænomen kaldes interkalation. Materialernes egenskaber ændrer sig, når ioner fanges inde i dem. Hos Exxon, Stanley Whittingham og hans kolleger begyndte at undersøge superledende materialer, herunder tantaldisulfid, som kan interkalere ioner. De tilføjede ioner til tantaldisulfid og undersøgte, hvordan dets ledningsevne blev påvirket.

Whittingham opdager et ekstremt energitæt materiale

Som det så ofte er tilfældet i videnskaben, dette eksperiment førte til en uventet og værdifuld opdagelse. Det viste sig, at kaliumioner påvirkede ledningsevnen af ​​tantaldisulfid, og da Stanley Whittingham begyndte at studere materialet i detaljer, observerede han, at det havde en meget høj energitæthed. De interaktioner, der opstod mellem kaliumionerne og tantaldisulfidet, var overraskende energirige og, da han målte materialets spænding, det var et par volt. Dette var bedre end mange af datidens batterier. Stanley Whittingham indså hurtigt, at det var tid til at skifte spor, bevæger sig til udvikling af ny teknologi, der kan lagre energi til fremtidens elbiler. Imidlertid, tantal er et af de tungere grundstoffer, og markedet behøvede ikke at være fyldt med flere tunge batterier - så han erstattede tantal med titanium, et grundstof, som har lignende egenskaber, men som er meget lettere.

Lithium i den negative elektrode

Formodes lithium ikke at have en ære i denne historie? Godt, det er her lithium kommer ind i fortællingen – som den negative elektrode på Stanley Whittinghams innovative batteri. Lithium var ikke et tilfældigt valg; i et batteri, elektroner skal strømme fra den negative elektrode – anoden – til den positive – katoden. Derfor, anoden skal indeholde et materiale, der let afgiver sine elektroner og, af alle elementer, lithium er det, der mest villigt frigiver elektroner.

Resultatet var et genopladeligt lithiumbatteri, der fungerede ved stuetemperatur og - bogstaveligt talt - havde et stort potentiale. Stanley Whittingham rejste til Exxons hovedkvarter i New York for at tale om projektet. Mødet varede omkring femten minutter, med ledelsesgruppen, der efterfølgende traf en hurtig beslutning:de ville udvikle et kommercielt levedygtigt batteri ved hjælp af Whittinghams opdagelse.

Batteriet eksploderer, og olieprisen falder

Desværre, gruppen, der skulle begynde at producere batteriet, led nogle tilbageslag. Da det nye lithiumbatteri blev opladet gentagne gange, tynde knurhår af lithium voksede fra lithiumelektroden. Da de nåede den anden elektrode, batteriet kortsluttes, hvilket kunne føre til en eksplosion. Brandvæsenet måtte slukke en del brande og truede til sidst med at få laboratoriet til at betale for de specielle kemikalier, der blev brugt til at slukke lithiumbrande.

For at gøre batteriet mere sikkert, aluminium blev tilsat til den metalliske lithiumelektrode, og elektrolytten mellem elektroderne blev skiftet. Stanley Whittingham annoncerede sin opdagelse i 1976, og batteriet begyndte at blive produceret i lille skala til en schweizisk urmager, der ønskede at bruge det i solcelledrevne ure.

Det næste mål var at opskalere det genopladelige lithiumbatteri, så det kunne drive en bil. Imidlertid, olieprisen faldt dramatisk i begyndelsen af ​​1980'erne, og Exxon var nødt til at foretage nedskæringer. Udviklingsarbejdet blev indstillet, og Whittinghams batteriteknologi blev licenseret til tre forskellige virksomheder i tre forskellige dele af verden.

Imidlertid, det betød ikke, at udviklingen stoppede. Da Exxon gav op, John Goodenough tog over.

Oliekrisen gør Goodenough interesseret i batterier

Som et barn, John Goodenough havde betydelige problemer med at lære at læse, hvilket var en af ​​grundene til, at han blev tiltrukket af matematik og til sidst - efter Anden Verdenskrig - også fysik. Han arbejdede i mange år på Lincoln Laboratory ved Massachusetts Institute of Technology, MIT. Mens der, han bidrog til udviklingen af ​​RAM (Random Access Memory), som stadig er en grundlæggende komponent i computere.

John Goodenough, som så mange andre mennesker i 1970'erne, var ramt af oliekrisen og ønskede at bidrage til udviklingen af ​​alternative energikilder. Imidlertid, Lincoln Laboratory blev finansieret af det amerikanske luftvåben og tillod ikke alle former for forskning, så da han blev tilbudt en stilling som professor i uorganisk kemi ved Oxford University i Storbritannien, han tog chancen og trådte ind i energiforskningens vigtige verden.

Høje spændinger, når lithium-ioner gemmer sig i koboltoxid

John Goodenough kendte til Whittinghams revolutionære batteri, men hans specialiserede viden om materiens indre fortalte ham, at dens katode kunne have et højere potentiale, hvis den blev bygget ved hjælp af et metaloxid i stedet for et metalsulfid. Et par personer i hans forskningsgruppe fik derefter til opgave at finde et metaloxid, der producerede en højspænding, når det interkalerede lithium-ioner, men som ikke kollapsede, da ionerne blev fjernet.

Denne systematiske søgning var mere vellykket, end John Goodenough havde turdet håbe på. Whittinghams batteri genererede mere end to volt, men Goodenough opdagede, at batteriet med lithiumkoboltoxid i katoden var næsten dobbelt så kraftigt, ved fire volt.

En nøgle til denne succes var John Goodenoughs erkendelse af, at batterier ikke behøvede at blive fremstillet i deres opladede tilstand, som man tidligere havde gjort. I stedet, de kunne blive opkrævet bagefter. I 1980, han offentliggjorde opdagelsen af ​​denne nye, energitæt katodemateriale, som, på trods af dens lave vægt, resulterede i kraftfulde, batterier med høj kapacitet. Dette var et afgørende skridt mod den trådløse revolution.

Japanske virksomheder ønsker letvægtsbatterier til ny elektronik

Imidlertid, i Vesten, da olien blev billigere, interessen blegnet for investeringer i alternativ energiteknologi og udvikling af elbiler. Tingene var anderledes i Japan; elektronikvirksomheder var desperate efter letvægts, genopladelige batterier, der kan drive innovativ elektronik, såsom videokameraer, trådløse telefoner og computere. En person, der så dette behov, var Akira Yoshino fra Asahi Kasei Corporation. Eller som han udtrykte det:"Jeg opsnuste bare den retning, som trends bevægede sig. Man kan sige, at jeg havde en god lugtesans."

Yoshino bygger det første kommercielt levedygtige lithium-ion-batteri

Da Akira Yoshino besluttede at udvikle et funktionelt genopladeligt batteri, han havde Goodenoughs lithium-cobaltoxid som katode og forsøgte at bruge forskellige kulstofbaserede materialer som anode. Forskere havde tidligere vist, at lithiumioner kunne indlejres i de molekylære lag i grafit, men grafitten blev nedbrudt af batteriets elektrolyt. Akira Yoshinos eureka-øjeblik kom, da han i stedet prøvede at bruge petroleumskoks, et biprodukt fra olieindustrien. Da han ladede petroleumskoksen med elektroner, lithium-ionerne blev trukket ind i materialet. Derefter, da han tændte for batteriet, elektronerne og lithiumionerne strømmede mod koboltoxidet i katoden, som har et meget højere potentiale.

Batteriet udviklet af Akira Yoshino er stabilt, letvægts, har en høj kapacitet og producerer bemærkelsesværdige fire volt. Den største fordel ved lithium-ion-batteriet er, at ionerne er indlejret i elektroderne. De fleste andre batterier er baseret på kemiske reaktioner, hvor elektroderne langsomt men sikkert skiftes. Når et lithium-ion-batteri oplades eller bruges, ionerne flyder mellem elektroderne uden at reagere med deres omgivelser. Det betyder, at batteriet har en lang levetid og kan oplades hundredvis af gange, før dets ydeevne forringes.

En anden stor fordel er, at batteriet ikke har noget rent lithium. I 1986, da Akira Yoshino testede batteriets sikkerhed, han udviste forsigtighed og brugte et anlæg designet til at teste eksplosive enheder. Han tabte et stort stykke jern på batteriet, men intet skete. Imidlertid, ved at gentage eksperimentet med et batteri, der indeholdt rent lithium, der var en voldsom eksplosion.

At bestå sikkerhedstesten var grundlæggende for batteriets fremtid. Akira Yoshino siger, at dette var "øjeblikket, hvor lithium-ion-batteriet blev født".

Lithium-ion-batteriet – nødvendigt for et samfund uden fossilt brændstof

I 1991, et stort japansk elektronikfirma begyndte at sælge de første lithium-ion-batterier, førte til en revolution inden for elektronik. Mobiltelefoner krympede, computere blev bærbare og MP3-afspillere og tablets blev udviklet.

Efterfølgende forskere over hele verden har søgt gennem det periodiske system på jagt efter endnu bedre batterier, men det er endnu ikke lykkedes nogen at opfinde noget, der slår lithiumionbatteriets høje kapacitet og spænding. Imidlertid, lithium-ion-batteriet er blevet skiftet og forbedret; blandt andet, John Goodenough har erstattet koboltoxidet med jernfosfat, hvilket gør batteriet mere miljøvenligt.

Som næsten alt andet, produktionen af ​​lithium-ion-batterier har en indvirkning på miljøet, men der er også store miljømæssige fordele. Batteriet har muliggjort udviklingen af ​​renere energiteknologier og elektriske køretøjer, dermed bidrage til reduceret udledning af drivhusgasser og partikler.

Gennem deres arbejde, John Goodenough, Stanley Whittingham og Akira Yoshino har skabt de rette betingelser for et trådløst og fossilt brændstoffrit samfund, og bragte således den største fordel for menneskeheden.

© 2019 The Associated Press. Alle rettigheder forbeholdes.