杭高特级教师解读化学诺奖 上过中学的你肯定能看懂

来源：极速体育极速体育直播NBA季前赛    发布时间：2024-02-13 07:52:18

  一年一度的诺贝尔奖已经揭晓，这是科学界的一次盛宴，但对于大多数中小学生来说，诺奖离他们还是太遥远了。

  一位中学生对记者说，他已经关注诺奖多年，获得诺奖的那些科学研究，他基本上看不懂。“我身边很多同学，大多数不再关注诺奖了，根本原因也是看不懂，还不如刷几道数学题。”

  怎么样让高大上的科学前沿的研究走进中小学生的视野，让他们看得懂，重点是解读。这次诺奖结果一出来，杭州高级中学的特级教师、全国首届正高、启成学校的总校长高树浪拿起了笔，用中学生看得懂的语言和知识，解读起这次化学诺贝尔奖。

  他对记者说，本次化学诺奖的知识是大家熟悉的电池，在小学科学、初中科学都接触过，高中化学已经介绍其中的化学原理。“说明诺贝尔奖涉及的知识并不是都离我们很遥远，有时就在身边。当代的青年人，首先要有执着追求真理的精神，改变对待科学的功利态度；其次要放眼未来，要多思考、善质疑，有批判精神，相信诺奖离我们不远了。”

  10月9日，瑞典皇家科学院宣布，来自美国和日本的三位科学家因在锂离子电池研发领域的贡献获得2019年诺贝尔化学奖。分别是美国科学家古迪纳夫（1922年出生）、英国裔美国科学家威廷汉（1941出生）和日本科学家吉野彰（1948出生）。诺贝尔评奖委员会表示，三个人的研究使锂离子电池的使用方式更稳定，从而开启了电子设备便携化进程，为打造一个无线互联的社会奠定基础。

  众所周知，现代生活离不开电池。世界上研究电池的专家不计其数，在燃料电池、太阳能电池、核电池等领域有突出贡献也不 少，可是本次诺贝尔奖颁给这三位科学家，除了锂电池领域独特的研究外，还有很重的方面，就是这三位科学家对待科学研究的精神。获奖者之一古迪纳夫已经97岁高龄，他曾经说过：“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。”

  元素名来源于希腊文，原意是“石头”。1817年由瑞典科学家阿弗韦聪在分析透锂长石矿时发现，1855年，本生和马奇森采用电解熔化氯化锂的方法才制得它。锂从被认定是一种元素到工业化制取前后历时76年。锂是一种银白色的金属元素，质软，是密度最小的金属（0.534g/cm），相对原子质量为6.941，因为锂的电荷密度很大，用于原子反应堆、电池等。

  1kg锂燃烧后可释放42998kJ的热量，（4 Li + O = 2 LiO 和6 Li + N = 2 LiN）因此锂是用来作为火箭燃料的最佳金属之一。1kg锂通过热核反应放出的能量相当于二万多吨优质煤的燃烧。

  1799年，意大利物理学家Alessandro Volta发明了第一款电池（Vlotaic Pile 伏特堆），利用锌片（阳极）和铜片（阴极）以及浸湿盐水的纸片（电解液）制成了电池，以证明了电是可以人为制造出来的。（说明：中学常用正极和负极）

  1850年，法国物理学家Gaston Planté发明了铅酸电池（阳极为铅、阴极为铅氧化物、硫酸溶液为电解质）这类电池被普遍的使用，车载蓄电池、早期电动车等都采用这类电池，截止2014年，全球约售出了4470万块铅酸电池。

  1950之后，加拿大工程师Lewis Urry发明了现在很常见的碱性电池（锌为阳极、镁氧化物为阴极，氢氧化钾为电解液），全球售出超过100亿颗。

  1991年，索尼公司推出了第一款商业锂离子电池（阳极为石墨，阴极为锂化合物，电极液为锂盐溶于有机溶剂），由于锂电池的高单位体积内的包含的能量和配方不同能适应不同使用环境的特点，被现在普遍的使用。智能手机、笔记本电脑、平板电脑迅速挤占了市场，关键是电池技术的突破，为便携电子设备行业带来了极大的变革。

  先普及一下电池产生电流的基础原理：在闭合电路里，当电子定向移动时，就形成电流。电池正常运行的关键是选择两个电极和中间传导的介质。（电池就像汉堡，两边就像两个电极，夹心就等于介质。）

  古迪纳夫1922年出生于德国。古迪纳夫30岁才开始攻读博士，58岁发明钴酸锂电池，75岁以磷酸铁锂电池再次改变世界，90岁以后开始研究全固态电池。他使锂电池体积更小、容积更大、使用更稳定。

  1.用钴酸锂作电极材料解决了锂电池易爆炸问题。钴酸锂，化学式LiCoO2，钴和氧原子的结合更紧密，形成的正八面体的平板，锂原子层就镶嵌在两个“平板”之间。正因为这种特殊的结构，使得锂原子可以在钴酸锂晶体中快速移动。

  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。

  2.解决了钴酸锂太贵问题。钴元素本身就是一种战略资源，太贵了，用磷酸铁锂取代。磷酸铁锂（LiFePO4），或者简称为LFP，在它的晶体结构中，铁与氧组成 FeO6 八面体，磷与氧组成 PO4 四面体，这些八面体与六面体按照一定规则构成骨架，形成Z 字型的链状结构，而锂原子则占据空间骨架中所构成的空位中。

  磷酸铁锂晶体结构，其中白色的圆球表示锂原子，红色表示氧原子，紫色表示磷原子，黄色表示铁原子）

  3. 用固态介质代替液态介质，使锂电池更安全。锂离子电池中所使用的电解液是一种有机物的混合液体，易燃易爆，这也是飞机等禁运锂离子电池的重要原因。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。固态电解质不仅仅可以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。

  威廷汉于1941年生于英国，现为美国纽约州立大学宾汉姆顿分校特聘教授，任材料研究所和材料科学与工程专业的主任。

  经过多年的实验和研究，·威廷汉采用用硫化钛锂（LixTiS2）作为锂电池的阴极材料，金属锂作为阳极材料，制成了一款锂电池。其电压可达到2.5V，并且在几乎不损失电量情况下循环1100次。2015年，他就曾因在锂离子电池领域的开创性研究，获得了诺奖风向标——科睿维安化学领域引文桂冠奖。

  1948年生于日本平田，现为日本东京旭化成株式会社名誉研究员，日本名城大学教授。

  吉野彰以古迪纳夫的锂电池为基础，将阳极材料从石墨改为了石油焦。虽然同为碳元素组成，但是以此达到了轻量化和耐久性。1985年，吉野彰以前人的研究为基础，发明了第一个商业上可行的锂离子电池。于是，一种重量轻且耐用的电池诞生，可充电数百次。

  综观锂电池发展，从古迪纳夫开始，这两种锂电池已经不是化学反应产生的电能，而是“单纯”的阴阳极之间的电子流动产生的，而这种能量纯粹来自于外界充入的“过量”电子，存贮于两极之间，用于做功，所以其实这两款并不叫锂电池，而是锂离子电池（Lithium-ion）。现在的锂电池产业，年产已经接近几十亿美元。这样一个世界仍在需要锂离子电池，这样一个世界更需要一个绿色的未来。