這屆諾貝爾化學獎有多猛?如果沒有他們 你的手機「隨時會爆炸」!

▲▼諾貝爾化學獎得主。(圖/翻攝自推特/The Nobel Prize)

▲美、英、日3位學者分別在鋰電池領域作出貢獻,同享諾貝爾化學獎殊榮。(圖/翻攝自推特/The Nobel Prize)

記者王致凱/綜合報導

如果你正用手機、平板或筆電瀏覽這篇文章,你該謝謝這3位科學家。諾貝爾化學獎9日揭曉,由美國「鋰電池之父」古迪納夫(John B. Goodenough)、英國學者惠廷厄姆(M. Stanley Whittingham)和日本學者吉野彰(Akira Yoshino)共同獲得,以表彰他們在鋰電池領域做出的貢獻。事實上,鋰電池的改進之所以重要,在於它完全改變了人類的生活方式,而假如沒有這些科學家,我們每天不離身的手機,可能只是個隨時會爆炸的炸彈。

▼以智慧型手機為代表,鋰電池的應用已經徹底改變人類生活方式。(圖/記者林敬旻攝)

▲iPhone 11直營店開賣。(圖/記者林敬旻攝)

清華大學化學系主任林俊成說,古迪納夫目前為德州大學奧斯汀分校機械工程與材料科學教授,被學術界尊稱為「鋰電池之父」;惠廷厄姆則是在1970年代初期開發全球第一塊功能齊全的鋰電池,吉野彰是現代含鋰鹼性鋰離子電池(LIB)發明者,曾獲工程學界最高榮譽全球能源獎。

中央研究院化學研究所研究員顏宏儒也說,此次獲獎的三位學者其實不曾一同合作過研究,但他們在不同階段對鋰電池的研究,累積為鋰電池技術的重大突破。顏宏儒說惠廷厄姆早在1970年代就研發出全球第一款可充電電池,但當時受限於材料太貴,無法商業化,隨著古迪納夫在1980年代研發新材料,吉野彰隨後延續古迪納夫的研究,將陰陽兩極的電池特性使用在鋰電池上。

大陸科普作家「圓的方塊」過去曾在文章中提到,在1970年代後期,剛問世的鋰電池因為能儲存更多電能,因此頗受市場青睞,最早期的「大哥大」手提電話用得就是這種電池,技術掌握在加拿大公司Moli Energy手中。那時候,世界才剛剛一腳踏入電子產品的時代,世界各地卻傳出電池莫名起火爆炸的消息,人們逐漸發現鋰電池有著重大安全疑慮。

原來,鋰是最活潑的元素之一,金屬鋰非常容易燃燒,甚至跟氮氣也能起反應,因此只要生產組裝過程中稍有不慎,就有可能因為接觸空氣而燃燒。此外,因為動力學等因素,鋰的金屬表面會生成一些名叫「枝晶」的晶體,這些枝晶會隨著電池使用越長越大,最終會刺破電池正負極之間的隔膜,導致電池短路自燃。

日本NEC收購Moli Energy後,苦於解決問題,因為不論如何改善生產、組裝工藝,枝晶問題仍然無法完全解決。此時,正在英國牛津大學研究的古迪納夫研究出一種全新材料——鈷酸鋰,徹底改變這個世界。

▼從手機到電動車,現代科技與鋰電池息息相關。(圖/記者游鎧丞攝)

特斯拉ZEV電動車車隊1月16日正式啟用 市區載客接送價350元起(圖/記者游鎧丞攝)

鈷酸鋰能夠提高電池的電壓,進而提高電量,更重要得是,鈷酸鋰對空氣不敏感,也改善了枝晶問題,大大提高鋰電池的安全性。1980年代,日本Sony公司開發出用作鋰電池負極的石墨,卻苦於沒有適合的正極與之匹配,正好與古迪納夫的鈷酸鋰一拍即合。很快,全新的可充電鋰電池問世。

由於不含有純鋰金屬,因此鈷酸鋰電池不但安全,而且性能強勁,一問世就受歡迎,幫助Sony成為當時的業界領導者,時年58歲的古迪納夫也一時之間聲名大噪。然而,鈷酸鋰電池雖然優點多,但仍然不是完美的電池,理由是這種電池在長期使用後性能衰退太大,加上鈷元素本就是一種稀有資源,不斷增加的市場需求使鈷酸鋰變得太過昂貴。

直到1997年,當時已高齡75歲的古迪納夫再次「震動世界」。這次,他拿出一種名叫磷酸鐵鋰(LiFePO4、LFP)的材料,這種材料最大的優點在於,鐵和磷都是非常便宜的元素,價格低廉,雖然其儲存電能的能力比鈷酸鋰差了一點,但優秀的穩定性和性價比仍再一次吸引業界的目光。

▼古迪納夫2013年獲時任美國總統歐巴馬頒發美國國家科學獎章。(圖/達志影像/美聯社)

▲▼「鋰電池之父」古迪納夫(John B. Goodenough)。(圖/達志影像/美聯社)

現在市面上的鋰電池,大多仍延續古迪納夫當初設計的電池架構,顯示其性能優異程度,而古迪納夫先後開發出鈷酸鋰和磷酸鐵鋰,稱他為「鋰電池之父」當之無愧。

不過,古迪納夫並未止步於此,為了徹底解決鋰電池的枝晶問題,以及電解液易燃易爆的缺點,古迪納夫毅然決然投入下一項研究中,也就是「全固態電池」,此時他已經高齡90歲。2019年,已經97歲的古迪納夫獲得諾貝爾化學獎肯定,不但實至名歸,也創下最年長得獎人紀錄。

儘管已經年近百歲,熱愛研究的古迪納夫至今仍每天工作。他接受媒體訪問時幽默的說,他很高興沒有在65歲遭強迫退休,「這樣我就有額外的33年時間用來工作」。

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▼諾貝爾獎宣布後,古迪納夫接受媒體採訪。儘管高齡97歲,他仍然每天進行研究工作。(圖/達志影像/美聯社)

▲▼鋰電池之父古迪納夫(John Goodenough)榮獲諾貝爾獎殊榮。(圖/達志影像/美聯社)

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