Om du läser detta på en mobiltelefon eller bärbar dator, du kan tacka årets tre pristagare för Nobelpriset i kemi för deras arbete med litiumjonbatterier.

Men batterierna utvecklade av britterna, Amerikanska och japanska vinnare som gör dessa enheter möjliga är mycket mer revolutionerande än bara för datoranvändning och samtal när de är på språng. Genombrotten som de tre uppnådde gjorde det också mer genomförbart att lagra energi från förnybara källor, öppna upp en helt ny front i kampen mot den globala uppvärmningen.

"Det här är en mycket laddad historia med enorm potential, sa Olof Ramström från Nobelkommittén för kemi.

Priset som tillkännagavs i onsdags gick till John B. Goodenough, 97, en tyskfödd amerikansk ingenjörsprofessor vid University of Texas; M. Stanley Whittingham, 77, en brittisk-amerikansk kemiprofessor vid State University of New York i Binghamton; och Akira Yoshino, 71, av kemikalieföretaget Asahi Kasei Corp. och Meijo University i Japan.

Den ära som tilldelas de tre forskarna är en slutsten av en verkligt transformativ teknologi som har genomsyrat miljarder liv över hela planeten, inklusive alla som använder mobiltelefoner, datorer, pacemakers, elbilar och mer.

"Hjärtat i telefonen är det uppladdningsbara batteriet. Hjärtat i elfordonet är det uppladdningsbara batteriet. Framgången och misslyckandet för så många nya teknologier beror på batterierna, sa Alexej Jerschow, en kemist vid New York University, vars forskning fokuserar på litiumjonbatteridiagnostik.

Whittingham uttryckte hopp om att Nobels strålkastare skulle kunna ge en ny impuls till ansträngningarna att möta världens glupska – och växande – krav på energi.

"Jag är överväldigad av tacksamhet över att ta emot det här priset, och jag har ärligt talat så många människor att tacka, Jag vet inte var jag ska börja, " sade han i ett uttalande från hans universitet. "Det är min förhoppning att detta erkännande kommer att bidra till att skina ett välbehövligt ljus över nationens energiframtid."

Tillräckligt bra, som anses vara en intellektuell jätte inom fasta tillståndskemi och fysik, är den äldsta personen som någonsin vunnit ett Nobelpris – vid sidan av Arthur Ashkin, som var 96 år när han tilldelades Nobel för fysik förra året. Goodenough fungerar fortfarande varje dag.

"Det är det fina - de får dig inte att gå i pension vid en viss ålder i Texas. De låter dig fortsätta arbeta, " berättade han för reportrar i London. "Så jag har haft 33 år extra på mig att fortsätta arbeta i Texas."

De tre hade var och en unika genombrott som kumulativt lade grunden för utvecklingen av ett kommersiellt uppladdningsbart batteri, för att ersätta alkaliska batterier som de som innehåller bly eller zink, som hade sitt ursprung på 1800-talet.

Litiumjonbatterier – de första riktigt bärbara och uppladdningsbara batterierna – tog mer än ett decennium att utveckla, och utnyttjade arbetet från flera forskare i USA, Japan och runt om i världen.

Verket hade sina rötter i oljekrisen på 1970-talet, när Whittingham arbetade med ansträngningar för att utveckla fossilbränslefria energiteknologier. Han utnyttjade litiums enorma tendens – den lättaste metallen – att ge bort sina elektroner för att göra ett batteri som kan generera drygt två volt.

År 1980, Goodenough hade fördubblat batteriets kapacitet till fyra volt genom att använda koboltoxid i katoden - en av två elektroder, tillsammans med anoden, som utgör ändarna på ett batteri.

Men det batteriet förblev för explosivt för allmän kommersiell användning. Det var där Yoshinos arbete på 1980-talet kom in. Han ersatte petroleumkoks, ett kolmaterial, i batteriets anod. Detta steg banade väg för den första lättviktare, säker, hållbara och uppladdningsbara kommersiella batterier som ska byggas och komma ut på marknaden 1991.

"Vi har fått tillgång till en teknisk revolution, ", sa Sara Snogerup Linse från Nobelkommittén för kemi. " Pristagarna utvecklade lätta batterier med tillräckligt hög potential för att vara användbara i många applikationer - verkligt bärbar elektronik:mobiltelefoner, pacemakers, men även långväga elbilar."

"Förmågan att lagra energi från förnybara källor - solen, vinden – öppnar upp för hållbar energiförbrukning, " tillade hon.

Talar på en presskonferens i Tokyo, Yoshino sa att han trodde att det kunde bli en lång väntan innan Nobelkommittén vände sig till hans specialitet - men han hade fel. Han berättade nyheten för sin fru, som blev lika förvånad som han.

"Jag pratade bara kort med henne och sa:'Jag förstår, och hon lät att hon var så förvånad att hennes knän nästan gav vika, " han sa.

Trion kommer att dela på 9 miljoner kronor (918 USD, 000) kontantersättning. Deras guldmedaljer och diplom kommer att delas ut i Stockholm den 10 december – årsdagen av prisgrundaren Alfred Nobels död 1896.

På tisdag, Kanadensiskfödde James Peebles vann Nobelpriset i fysik för sina teoretiska upptäckter inom kosmologi tillsammans med de schweiziska forskarna Michel Mayor och Didier Queloz, som hedrades för att ha hittat en exoplanet – en planet utanför vårt solsystem – som kretsar kring en stjärna av soltyp.

• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 

Amerikanerna William G. Kaelin Jr. och Gregg L. Semenza och britten Peter J. Ratcliffe vann Nobelpriset för framsteg inom fysiologi eller medicin i måndags. De citerades för sina upptäckter av "hur celler känner av och anpassar sig till syretillgänglighet."

Två nobelpristagare i litteratur tillkännages på torsdag – en för 2018 och en för 2019 – eftersom förra årets pris avbröts efter att en sexövergreppsskandal skakade Svenska Akademien. Det eftertraktade Nobels fredspris är fredag ​​och ekonomipriset tillkännages på måndag.

---

Pressmeddelande:Nobelpriset i kemi 2019

Kungliga Vetenskapsakademien har beslutat att dela ut Nobelpriset i kemi 2019 till

John B. Goodenough
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 University, Nagoya, Japan

"för utvecklingen av litiumjonbatterier"

De skapade en uppladdningsbar värld

Nobelpriset i kemi 2019 belönar utvecklingen av litiumjonbatteriet. Denna lätta, laddningsbart och kraftfullt batteri används nu i allt från mobiltelefoner till bärbara datorer och elfordon. Den kan också lagra betydande mängder energi från sol- och vindkraft, möjliggör ett fossilbränslefritt samhälle.

Litiumjonbatterier används globalt för att driva den bärbara elektroniken som vi använder för att kommunicera, arbete, studie, lyssna på musik och söka kunskap. Litiumionbatterier har också möjliggjort utvecklingen av elbilar med lång räckvidd och lagring av energi från förnybara källor, som sol- och vindkraft.

Grunden till litiumjonbatteriet lades under oljekrisen på 1970-talet. Stanley Whittingham arbetade med att utveckla metoder som kunde leda till fossilbränslefri energiteknik. Han började forska i supraledare och upptäckte ett extremt energirikt material, som han använde för att skapa en innovativ katod i ett litiumbatteri. Detta gjordes av titandisulfid som, på molekylär nivå, har utrymmen som kan hysa – interkalera – litiumjoner.

Batteriets anod var delvis gjord av metalliskt litium, som har en stark drivkraft att frigöra elektroner. Detta resulterade i ett batteri som bokstavligen hade stor potential, drygt två volt. Dock, metalliskt litium är reaktivt och batteriet var för explosivt för att vara livskraftigt.

John Goodenough förutspådde att katoden skulle ha ännu större potential om den tillverkades med en metalloxid istället för en metallsulfid. Efter en systematisk sökning, 1980 visade han att koboltoxid med interkalerade litiumjoner kan producera så mycket som fyra volt. Detta var ett viktigt genombrott och skulle leda till mycket kraftfullare batterier.

Med Goodenoughs katod som bas, Akira Yoshino skapade det första kommersiellt gångbara litiumjonbatteriet 1985. Istället för att använda reaktivt litium i anoden, han använde petroleumkoks, ett kolmaterial som, som katodens koboltoxid, kan interkalera litiumjoner.

Resultatet blev en lätt, slitstarkt batteri som kunde laddas hundratals gånger innan dess prestanda försämrades. Fördelen med litiumjonbatterier är att de inte är baserade på kemiska reaktioner som bryter ner elektroderna, men på litiumjoner som flödar fram och tillbaka mellan anoden och katoden.

Litiumjonbatterier har revolutionerat våra liv sedan de först kom in på marknaden 1991. De har lagt grunden till en trådlös, fossilbränslefritt samhälle, och är till största nytta för mänskligheten.

---

Populärvetenskaplig bakgrund

De utvecklade världens mest kraftfulla batteri

Nobelpriset i kemi 2019 tilldelas John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham och Akira Yoshino för deras bidrag till utvecklingen av litiumjonbatteriet. Detta uppladdningsbara batteri lade grunden till trådlös elektronik som mobiltelefoner och bärbara datorer. Det gör också en fossilbränslefri värld möjlig, eftersom den används till allt från att driva elbilar till att lagra energi från förnybara källor.

Ett element får sällan spela en central roll i ett drama, men historien om 2019 års Nobelpris i kemi har en tydlig huvudperson:litium, ett gammalt element som skapades under de första minuterna av Big Bang. Mänskligheten blev medveten om det 1817, när svenska kemister Johan August Arfwedson och Jöns Jacob Berzelius renade det ur ett mineralprov från Utö Gruva, i Stockholms skärgård.

Berzelius döpte det nya elementet efter det grekiska ordet för sten, litos. Trots sitt tunga namn, det är det lättaste fasta elementet, vilket är anledningen till att vi knappt märker de mobiltelefoner vi nu bär runt på.

För att vara helt korrekt – de svenska kemisterna hittade faktiskt inte rent metalliskt litium, men litiumjoner i form av ett salt. Rent litium har utlöst många brandlarm, inte minst i den historia vi här ska berätta; det är ett instabilt element som måste lagras i olja så att det inte reagerar med luft.

Litiums svaghet – dess reaktivitet – är också dess styrka. I början av 1970-talet Stanley Whittingham använde litiums enorma drivkraft för att frigöra sin yttre elektron när han utvecklade det första funktionella litiumbatteriet. 1980, John Goodenough fördubblade batteriets potential, skapa de rätta förutsättningarna för ett mycket kraftfullare och mer användbart batteri. 1985, Akira Yoshino lyckades eliminera rent litium från batteriet, istället basera det helt på litiumjoner, som är säkrare än rent litium. Detta gjorde att batteriet fungerade i praktiken. Litiumjonbatterier har medfört den största fördelen för mänskligheten, eftersom de har möjliggjort utvecklingen av bärbara datorer, mobiltelefoner, elfordon och lagring av energi som genereras av sol- och vindkraft.

Vi ska nu gå femtio år tillbaka i tiden, till början av litiumjonbatteriets högladdade historia.

Bensindis gör att batteriforskningen återupplivas

I mitten av 1900-talet, antalet bensindrivna bilar i världen ökade markant, och deras avgaser förvärrade den skadliga smog som finns i storstäderna. Detta, i kombination med den växande insikten att olja är en ändlig resurs, slog larm för både fordonstillverkare och oljebolag. De behövde investera i elfordon och alternativa energikällor om deras företag skulle överleva.

Elfordon och alternativa energikällor kräver båda kraftfulla batterier som kan lagra stora mängder energi. Det fanns egentligen bara två typer av laddningsbara batterier på marknaden vid denna tid:det tunga blybatteriet som uppfanns redan 1859 (och som fortfarande används som startbatteri i bensindrivna bilar) och nickel-kadmiumbatteriet som utvecklades under första hälften av 1900-talet.

Oljebolagen investerar i ny teknik

Hotet om att oljan skulle ta slut resulterade i en oljejätte, Exxon, besluta att diversifiera sin verksamhet. I en storsatsning på grundforskning rekryterade de några av den tidens främsta forskare inom energiområdet, ge dem friheten att göra i stort sett vad de ville så länge det inte involverade petroleum.

Stanley Whittingham var bland dem som flyttade till Exxon 1972. Han kom från Stanford University, där hans forskning hade inkluderat fasta material med atomstora utrymmen där laddade joner kan fästa. Detta fenomen kallas interkalering. Materialens egenskaper förändras när joner fångas inuti dem. På Exxon, Stanley Whittingham och hans kollegor började undersöka supraledande material, inklusive tantaldisulfid, som kan interkalera joner. De tillsatte joner till tantaldisulfid och studerade hur dess ledningsförmåga påverkades.

Whittingham upptäcker ett extremt energitätt material

Som så ofta är fallet inom vetenskapen, detta experiment ledde till en oväntad och värdefull upptäckt. Det visade sig att kaliumjoner påverkade ledningsförmågan hos tantaldisulfid, och när Stanley Whittingham började studera materialet i detalj observerade han att det hade en mycket hög energitäthet. Interaktionerna som uppstod mellan kaliumjonerna och tantaldisulfiden var förvånansvärt energirika och, när han mätte materialets spänning, det var ett par volt. Detta var bättre än många av den tidens batterier. Stanley Whittingham insåg snabbt att det var dags att byta spår, övergång till utveckling av ny teknik som kan lagra energi för framtidens elfordon. Dock, tantal är ett av de tyngre grundämnena och marknaden behövde inte laddas med fler tunga batterier – så han ersatte tantal med titan, ett element som har liknande egenskaper men är mycket lättare.

Litium i den negativa elektroden

Är det inte meningen att litium ska ha en stor plats i den här historien? Väl, det är här litium kommer in i berättelsen – som den negativa elektroden på Stanley Whittinghams innovativa batteri. Litium var inte ett slumpmässigt val; i ett batteri, elektroner ska flöda från den negativa elektroden – anoden – till den positiva – katoden. Därför, anoden bör innehålla ett material som lätt avger sina elektroner och, av alla element, litium är det som mest villigt frigör elektroner.

Resultatet blev ett laddningsbart litiumbatteri som fungerade i rumstemperatur och – bokstavligen – hade stor potential. Stanley Whittingham reste till Exxons högkvarter i New York för att prata om projektet. Mötet varade i cirka femton minuter, med ledningsgruppen som därefter fattade ett snabbt beslut:de skulle utveckla ett kommersiellt gångbart batteri med hjälp av Whittinghams upptäckt.

Batteriet exploderar och oljepriset faller

Tyvärr, gruppen som skulle börja tillverka batteriet fick en del bakslag. När det nya litiumbatteriet laddades upprepade gånger, tunna morrhår av litium växte från litiumelektroden. När de nådde den andra elektroden, batteriet kortsluts vilket kan leda till en explosion. Brandkåren fick släcka ett antal bränder och hotade slutligen med att få laboratoriet att betala för de specialkemikalier som används för att släcka litiumbränder.

För att göra batteriet säkrare, aluminium sattes till den metalliska litiumelektroden och elektrolyten mellan elektroderna byttes. Stanley Whittingham tillkännagav sin upptäckt 1976 och batteriet började tillverkas i liten skala för en schweizisk klockmakare som ville använda det i solcellsdrivna klockor.

Nästa mål var att skala upp det uppladdningsbara litiumbatteriet så att det kunde driva en bil. Dock, oljepriset sjönk dramatiskt i början av 1980-talet och Exxon behövde göra nedskärningar. Utvecklingsarbetet avbröts och Whittinghams batteriteknologi licensieras till tre olika företag i tre olika delar av världen.

Dock, detta innebar inte att utvecklingen stannade. När Exxon gav upp, John Goodenough tog över.

Oljekrisen gör Goodenough intresserad av batterier

Som ett barn, John Goodenough hade betydande problem med att lära sig läsa, vilket var en anledning till att han drogs till matematik och så småningom – efter andra världskriget – även fysik. Han arbetade i många år på Lincoln Laboratory vid Massachusetts Institute of Technology, MIT. Medan där, han bidrog till utvecklingen av RAM (Random Access Memory) som fortfarande är en grundläggande komponent i datoranvändning.

John Goodenough, som så många andra människor på 1970-talet, drabbades av oljekrisen och ville bidra till utvecklingen av alternativa energikällor. Dock, Lincoln Laboratory finansierades av det amerikanska flygvapnet och tillät inte all slags forskning, så när han erbjöds en tjänst som professor i oorganisk kemi vid Oxford University i Storbritannien, han tog chansen och gick in i energiforskningens viktiga värld.

Höga spänningar när litiumjoner gömmer sig i koboltoxid

John Goodenough kände till Whittinghams revolutionerande batteri, men hans specialiserade kunskap om materiens inre sa till honom att dess katod kunde ha en högre potential om den byggdes med en metalloxid istället för en metallsulfid. Ett fåtal personer i hans forskargrupp fick sedan i uppdrag att hitta en metalloxid som producerade en hög spänning när den interkalerade litiumjoner, men som inte kollapsade när jonerna togs bort.

Denna systematiska sökning var mer framgångsrik än vad John Goodenough hade vågat hoppas. Whittinghams batteri genererade mer än två volt, men Goodenough upptäckte att batteriet med litiumkoboltoxid i katoden var nästan dubbelt så kraftfullt, vid fyra volt.

En nyckel till denna framgång var John Goodenoughs insikt om att batterier inte behövde tillverkas i laddat tillstånd, som man gjort tidigare. Istället, de skulle kunna laddas i efterhand. 1980, han publicerade upptäckten av denna nya, energität katodmaterial som, trots sin låga vikt, resulterade i kraftfulla, batterier med hög kapacitet. Detta var ett avgörande steg mot den trådlösa revolutionen.

Japanska företag vill ha lätta batterier för ny elektronik

Dock, i väst, när oljan blev billigare, intresset bleknade för investeringar i alternativ energiteknik och utveckling av elfordon. Saker och ting var annorlunda i Japan; elektronikföretag var desperata efter lättvikt, laddningsbara batterier som kan driva innovativ elektronik, som videokameror, trådlösa telefoner och datorer. En person som såg detta behov var Akira Yoshino från Asahi Kasei Corporation. Eller som han uttryckte det:"Jag bara sniffade ut i vilken riktning trenderna rörde sig. Man kan säga att jag hade ett bra luktsinne."

Yoshino bygger det första kommersiellt gångbara litiumjonbatteriet

När Akira Yoshino bestämde sig för att utveckla ett funktionellt uppladdningsbart batteri, han hade Goodenoughs litium-koboltoxid som katod och försökte använda olika kolbaserade material som anod. Forskare hade tidigare visat att litiumjoner kunde interkaleras i molekylskikten i grafit, men grafiten bröts ner av batteriets elektrolyt. Akira Yoshinos eureka-ögonblick kom när han istället försökte använda petroleumkoks, en biprodukt från oljeindustrin. När han laddade petroleumkoksen med elektroner, litiumjonerna drogs in i materialet. Sedan, när han slog på batteriet, elektronerna och litiumjonerna strömmade mot koboltoxiden i katoden, som har en mycket högre potential.

Batteriet utvecklat av Akira Yoshino är stabilt, lättvikt, har en hög kapacitet och producerar anmärkningsvärda fyra volt. Den största fördelen med litiumjonbatteriet är att jonerna är interkalerade i elektroderna. De flesta andra batterier är baserade på kemiska reaktioner där elektroderna sakta men säkert byts ut. När ett litiumjonbatteri laddas eller används, jonerna flyter mellan elektroderna utan att reagera med sin omgivning. Detta innebär att batteriet har lång livslängd och kan laddas hundratals gånger innan dess prestanda försämras.

En annan stor fördel är att batteriet inte har något rent litium. 1986, när Akira Yoshino testade batteriets säkerhet, han utövade försiktighet och använde en anläggning utformad för att testa explosiva anordningar. Han tappade en stor bit järn på batteriet, men inget hände. Dock, på att upprepa experimentet med ett batteri som innehöll rent litium, det var en våldsam explosion.

Att klara säkerhetstester var grundläggande för batteriets framtid. Akira Yoshino säger att detta var "ögonblicket då litiumjonbatteriet föddes".

Litiumjonbatteriet – nödvändigt för ett fossilbränslefritt samhälle

1991, ett stort japanskt elektronikföretag började sälja de första litiumjonbatterierna, leder till en revolution inom elektronik. Mobiltelefoner krympte, datorer blev bärbara och MP3-spelare och surfplattor utvecklades.

Senare, forskare runt om i världen har sökt genom det periodiska systemet på jakt efter ännu bättre batterier, men ingen har ännu lyckats uppfinna något som slår litiumbatteriets höga kapacitet och spänning. Dock, litiumjonbatteriet har bytts ut och förbättrats; bland annat, John Goodenough har ersatt koboltoxiden med järnfosfat, vilket gör batteriet mer miljövänligt.

Som nästan allt annat, produktionen av litiumjonbatterier påverkar miljön, men det finns också stora miljöfördelar. Batteriet har möjliggjort utvecklingen av renare energiteknik och elfordon, därmed bidra till minskade utsläpp av växthusgaser och partiklar.

Genom sitt arbete, John Goodenough, Stanley Whittingham och Akira Yoshino har skapat de rätta förutsättningarna för ett trådlöst och fossilbränslefritt samhälle, och så medförde den största fördelen för mänskligheten.

© 2019 The Associated Press. Alla rättigheter förbehållna.