北京時(shí)間10月9日，瑞典皇家科學(xué)院決定將2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予約翰·B·古迪納夫、M·斯坦利·惠廷漢姆和吉野彰，以表彰他們?cè)阡囯x子電池方面的研究。這種可充電電池構(gòu)成了手機(jī)和筆記本電腦等無線電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)，也使無化石燃料的世界成為可能。從為電動(dòng)汽車提供動(dòng)力到存儲(chǔ)可再生能源，鋰離子電池具有廣泛的用途。

介紹

電力為我們的生活提供能源，無論何時(shí)何地我們都需要它。如今，即使附近沒有電源插座，我們也可以非常方便、高效地獲得電力。我們的行動(dòng)越來越自由，對(duì)電線的依賴越來越少，從而可以在可能更健康的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高流動(dòng)性。這一令人印象深刻的發(fā)展得益于高效的儲(chǔ)能設(shè)備。高容量電池可用于各種電動(dòng)工具和車輛。原則上，我們都可以方便地使用手機(jī)、相機(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)工具等，并依靠高效電池為其供電。隨著現(xiàn)代電池技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)汽車越來越受歡迎。我們正處于遠(yuǎn)離化石燃料汽車的時(shí)代。此外，高效儲(chǔ)能是對(duì)風(fēng)能、太陽能等不穩(wěn)定能源的重要補(bǔ)充。有了電池，即使在沒有能源生產(chǎn)的情況下，供應(yīng)鏈和需求鏈也可以隨著時(shí)間的推移保持平衡。

在很大程度上，鋰離子電池使這些發(fā)展成為可能。這種電池徹底改變了儲(chǔ)能技術(shù)，并引發(fā)了移動(dòng)革命。通過鋰離子電池的高潛力、高能量密度和高容量，這種電池類型為改善我們的生活做出了巨大貢獻(xiàn)，并將在未來幾年繼續(xù)發(fā)揮作用。然而，電池的發(fā)展總體來說是非常艱巨和具有挑戰(zhàn)性的，特別是鋰電池。自從1800年Alessandro Volta提出他著名的電池堆以來，無數(shù)科學(xué)家和工程師為電池的研發(fā)投入了巨大的努力。

從基本結(jié)構(gòu)來看，電池的工作原理比較簡(jiǎn)單。電池由兩個(gè)電極（每個(gè)電極都連接到電路）和容納帶電物質(zhì)的電解質(zhì)組成。通常，電極由絕緣材料隔開，以防止電極之間的物理接觸，從而防止電池短路。在放電模式下，當(dāng)電池驅(qū)動(dòng)電流時(shí)，負(fù)極（陽極）會(huì)發(fā)生氧化過程，導(dǎo)致電子從電極流出并流經(jīng)電路。在正極（陰極）發(fā)生互補(bǔ)還原過程，從電路中獲得電子。電池電壓很大程度上取決于電極之間的電位差，整個(gè)過程是自發(fā)的。在可充電電池中，這個(gè)過程可以逆轉(zhuǎn)，并且可以將外部電流施加到電極以產(chǎn)生互補(bǔ)的氧化還原反應(yīng)。這個(gè)過程是非自發(fā)的，需要能量輸入。

學(xué)術(shù)界、工業(yè)界、甚至獨(dú)立工作的許多科學(xué)家和工程師都為電池的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，他們也明白開發(fā)高效電池是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)。因此，電池的開發(fā)相對(duì)緩慢，只有少數(shù)有效的電池配置在設(shè)計(jì)成功后能夠使用多年。例如，我們?nèi)匀灰蕾?800 年代中期發(fā)明的鉛酸電池。盡管如此，通過一系列突破性的多學(xué)科科學(xué)發(fā)現(xiàn)，包括電化學(xué)、有機(jī)和無機(jī)化學(xué)、材料科學(xué)等，研究人員解決了許多挑戰(zhàn)，最終鋰離子電池成為現(xiàn)實(shí)，從根本上改變了我們的世界。

背景

很少有一種元素在戲劇中扮演核心角色，但2019 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的故事有一個(gè)明確的主角：鋰。這是在大爆炸的最初幾分鐘創(chuàng)造的一種古老元素。 1817 年，當(dāng)瑞典化學(xué)家Johan August Arfwedson 和Jns Jacob Berzelius 在斯德哥爾摩群島的Ut 礦中從礦物樣本中純化出這種物質(zhì)時(shí)，人類才意識(shí)到它的存在。

貝采利烏斯將這種新元素命名為lithos，在希臘語中是石頭的意思。盡管它的名字很重，但它是最輕的固體元素。這就是為什么我們有時(shí)很少注意到我們的手機(jī)。

更準(zhǔn)確地說，瑞典化學(xué)家實(shí)際上并沒有發(fā)現(xiàn)純金屬鋰，而是鹽形式的鋰離子。純鋰已經(jīng)引發(fā)了許多火災(zāi)警報(bào)，尤其是在我們即將講述的故事中；它是一種不穩(wěn)定的元素，必須儲(chǔ)存在油中，這樣才不會(huì)與空氣發(fā)生反應(yīng)。

鋰是一種在其外電子層中只有一個(gè)電子的金屬，因此有強(qiáng)烈的動(dòng)機(jī)將該電子留給另一個(gè)原子。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，會(huì)形成更穩(wěn)定、帶正電的鋰離子。

鋰的弱點(diǎn)是反應(yīng)性，但這也是它的優(yōu)點(diǎn)。 20世紀(jì)70年代初，斯坦利·惠廷漢姆（Stanley Whittingham）開發(fā)出第一款全功能鋰電池，利用鋰釋放其外層電子的強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)力。 1980年，古迪納夫?qū)㈦姵氐臐摿μ岣吡艘槐?，為開發(fā)更強(qiáng)大、更實(shí)用的電池創(chuàng)造了合適的條件。 1985年，吉野彰成功地從電池中去除了純鋰，取而代之的是完全基于鋰離子，這比純鋰更安全。

這使得鋰電池成為一種實(shí)用且可行的電池。鋰離子電池給人類帶來了巨大的好處，使筆記本電腦、手機(jī)、電動(dòng)汽車以及太陽能和風(fēng)能的存儲(chǔ)成為可能。

我們將回到50 年前鋰離子電池最初的時(shí)代。

油霧給電池研究帶來新的活力

最初的可充電電池的電極中含有固體材料，當(dāng)它們與電解質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)會(huì)分解。此過程會(huì)損壞電池。 Stanley Whittingham的鋰電池的優(yōu)點(diǎn)是鋰離子儲(chǔ)存在陰極的二硫化鈦空間中。電池在使用時(shí)，鋰離子從陽極的鋰流向陰極的二硫化鈦；當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子會(huì)回流。

20世紀(jì)中葉，世界上汽油動(dòng)力汽車的數(shù)量大幅增加，其尾氣排放使大城市的有害霧霾更加嚴(yán)重。與此同時(shí)，人們?cè)絹碓秸J(rèn)識(shí)到石油是一種有限資源。這一切都給汽車制造商和石油公司敲響了警鐘。如果他們的企業(yè)要生存，他們就需要投資電動(dòng)汽車和替代能源。

電動(dòng)汽車和替代能源都需要強(qiáng)大的電池來存儲(chǔ)大量能量。事實(shí)上，當(dāng)時(shí)市場(chǎng)上的充電電池只有兩種：早在1859年發(fā)明的鉛酸電池（至今仍用作燃油汽車的啟動(dòng)電池）和20世紀(jì)上半葉發(fā)明的鎳鎘電池。世紀(jì)。

石油公司投資新技術(shù)

面對(duì)石油耗盡的威脅，石油巨頭埃克森美孚決定實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)多元化。在對(duì)基礎(chǔ)研究的一項(xiàng)重大投資中，?？松梨谡心剂水?dāng)時(shí)能源領(lǐng)域一些最重要的研究人員，讓他們可以自由地做幾乎任何他們想做的事情，只要不涉及石油。

當(dāng)以純鋰為陽極的電池充電時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鋰枝晶的形成。這些鋰枝晶會(huì)使電池短路，引起火災(zāi)甚至爆炸。

Stanley Whittingham 是1972 年加入?？松梨诘目茖W(xué)家之一。他來自斯坦福大學(xué)，從事某些固體材料的研究。這些材料內(nèi)部具有原子大小的空間，可供帶電離子附著。這種現(xiàn)象稱為插層。當(dāng)離子被困在材料內(nèi)部時(shí)，材料的特性就會(huì)發(fā)生變化。在埃克森美孚，斯坦利·惠廷漢姆和同事開始研究超導(dǎo)材料，包括可以嵌入離子的二硫化鉭。他們向二硫化鉭中添加了離子，并研究了其電導(dǎo)率如何受到影響。

惠廷厄姆發(fā)現(xiàn)一種能量密度極高的物質(zhì)

正如科學(xué)中經(jīng)常發(fā)生的那樣，該實(shí)驗(yàn)帶來了意想不到的發(fā)現(xiàn)。事實(shí)證明，鉀離子會(huì)影響二硫化鉭的電導(dǎo)率。當(dāng)斯坦利·惠廷厄姆開始詳細(xì)研究這種材料時(shí)，他觀察到它具有非常高的能量密度。也就是說，鉀離子和二硫化鉭之間的相互作用具有驚人的能量。當(dāng)惠廷漢姆測(cè)量這種材料的電壓時(shí)，他發(fā)現(xiàn)它可以達(dá)到幾伏，這比當(dāng)時(shí)的電池要好得多。斯坦利·惠廷漢姆很快意識(shí)到是時(shí)候改變路線了，他轉(zhuǎn)向了可以為未來電動(dòng)汽車儲(chǔ)存能量的新技術(shù)。然而，鉭是一種較重的元素，市場(chǎng)上不需要更重的電池。因此他用鈦代替了鉭，鈦具有與鉭相似的特性，但重量輕得多。

鋰作為負(fù)極

古迪納夫開始在鋰電池的陰極中使用氧化鈷。這幾乎使電池的電勢(shì)增加了一倍，使其更加強(qiáng)大。

由此，鋰開始在鋰離子電池的故事中占據(jù)最重要的位置。斯坦利·惠廷漢姆的新電池使用鋰作為負(fù)極并不是隨意選擇的。在電池中，電子應(yīng)該從負(fù)極（陽極）流向正極（陰極）。因此，負(fù)極應(yīng)該使用容易失去電子的材料，而在所有元素中，鋰是最愿意釋放電子的。

于是，斯坦利·惠廷漢姆開發(fā)出了一種可在室溫下工作、潛力巨大、潛力巨大的可充電鋰電池。他前往?？松梨诩~約總部討論該項(xiàng)目。會(huì)議持續(xù)了大約15分鐘，管理團(tuán)隊(duì)很快做出了決定：他們將利用斯坦利·惠廷漢姆的發(fā)現(xiàn)來開發(fā)一種商業(yè)上可行的電池。

電池爆炸和油價(jià)下跌

不幸的是，準(zhǔn)備開始生產(chǎn)電池的團(tuán)隊(duì)遇到了一些困難。當(dāng)新的鋰電池反復(fù)充電時(shí)，鋰電極上開始出現(xiàn)一層薄薄的鋰材料。當(dāng)它們到達(dá)另一個(gè)電極時(shí)，電池會(huì)短路并爆炸。消防隊(duì)員不得不多次出警才能撲滅大火，他們還威脅要讓實(shí)驗(yàn)室支付用于撲滅這些鋰電池火災(zāi)的特殊化學(xué)品的費(fèi)用。為了使電池更安全，在鋰金屬電極中添加了鋁，同時(shí)也更換了兩個(gè)電極之間的電解液。

Stanley Whittingham 于1976 年宣布了他的發(fā)現(xiàn)，隨后為一家瑞士鐘表制造商小規(guī)模生產(chǎn)了這些電池，并計(jì)劃將其用于太陽能手表。下一步是擴(kuò)大電池容量，以便為汽車充電。但到了20 世紀(jì)80 年代初，油價(jià)突然大幅下跌，?？松枰鳒p成本。于是相關(guān)的研究工作就停止了，惠廷漢姆發(fā)明的技術(shù)被授權(quán)給了世界三個(gè)不同地區(qū)的三個(gè)不同的公司。但這并不意味著研究已經(jīng)結(jié)束。當(dāng)?？松艞夁@項(xiàng)工作后，約翰·古迪納夫接手了。

吉野彰開發(fā)了第一個(gè)商用鋰離子電池。他使用古迪納夫的鋰鈷氧化物作為陰極，使用一種稱為石油焦的碳基材料作為陽極，鋰離子也可以插入其中。當(dāng)電池工作時(shí)，它不會(huì)發(fā)生破壞自身的化學(xué)反應(yīng)。相反，鋰離子可以在電極之間來回流動(dòng)，從而使電池壽命大大延長(zhǎng)

石油危機(jī)讓古迪納夫?qū)﹄姵丶夹g(shù)產(chǎn)生了興趣

小時(shí)候，古迪納夫在閱讀方面存在嚴(yán)重困難，這也是他被數(shù)學(xué)吸引并最終在二戰(zhàn)后學(xué)習(xí)物理學(xué)的原因之一。他曾在麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室工作多年。在此期間，他對(duì)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）的研究做出了貢獻(xiàn)，該存儲(chǔ)器至今仍然是我們計(jì)算機(jī)不可或缺的組成部分。

古迪納夫和20 世紀(jì)70 年代的許多人一樣，深受石油危機(jī)的影響，并希望為替代能源做出貢獻(xiàn)。然而林肯實(shí)驗(yàn)室是由美國(guó)空軍資助的，不被允許從事此類研究。因此，當(dāng)他有機(jī)會(huì)成為英國(guó)牛津大學(xué)無機(jī)化學(xué)教授時(shí)，他抓住了這個(gè)機(jī)會(huì)，最終一頭扎進(jìn)了重要的能源研究領(lǐng)域。

鋰離子與氧化鈷結(jié)合時(shí)產(chǎn)生高電壓

古迪納夫了解惠廷漢姆革命性的新型電池技術(shù)，但他對(duì)物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的專業(yè)知識(shí)告訴他，如果電池的陰極由金屬氧化物而不是金屬硫化物制成，那么陰極的電位將能夠更高。因此，他的研究小組的幾位成員接到了尋找合適的金屬氧化物的任務(wù)，這些金屬氧化物可以在鋰離子的作用下產(chǎn)生相對(duì)較高的電壓，并且當(dāng)這些離子被去除時(shí)不會(huì)產(chǎn)生問題。

這次系統(tǒng)搜索的結(jié)果比古迪納夫最初想象的要高得多。 Whittingham 的電池可以產(chǎn)生略高于2 伏的電壓，但古迪納夫發(fā)現(xiàn)在陰極使用鈷酸鋰可以產(chǎn)生兩倍高的電壓，達(dá)到4 伏。關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)之一是古迪納夫意識(shí)到電池不需要像迄今為止的情況那樣在生產(chǎn)時(shí)保持充電狀態(tài)。相反，它們?cè)趧?chuàng)建后可以重新充電。 1980年，他宣布了這種新型高能量密度正極材料。盡管它很輕，但它仍然可以提供強(qiáng)大的電池。這是人類進(jìn)入移動(dòng)時(shí)代的關(guān)鍵一步。

日本公司渴望輕型電池為新電子產(chǎn)品提供動(dòng)力

然而，在西方，隨著油價(jià)暴跌，尋找替代能源和開發(fā)不使用石油的電動(dòng)汽車的投資開始下降。但在日本，情況則完全不同。電子公司迫切需要一種輕便的可充電電池來為他們的攝像機(jī)、無線電話和電腦供電?？吹竭@種巨大需求的人之一是日本旭化成株式會(huì)社的吉野彰。正如他所說：這就像嗅出了一種趨勢(shì)的大方向?？梢哉f我對(duì)這方面的嗅覺很敏銳。

吉野彰開發(fā)出首款商用鋰離子電池

當(dāng)吉野彰決定開發(fā)功能性充電電池時(shí)，他選擇了古迪納夫的鈷酸鋰作為陰極，并嘗試了各種碳基材料作為陽極。研究人員此前已經(jīng)證明，鋰離子可以嵌入到石墨的分子層中，但石墨會(huì)被電池的電解質(zhì)分解。吉野最終在對(duì)石油工業(yè)副產(chǎn)品石油焦進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)找到了靈感。他給石油焦充電，發(fā)現(xiàn)鋰離子被吸入材料中。然后，當(dāng)他打開電池時(shí)，電子和鋰離子流向陰極的鈷酸鋰，其電勢(shì)要高得多。

吉野彰開發(fā)的電池具有運(yùn)行穩(wěn)定、重量輕、容量大等優(yōu)點(diǎn)，可產(chǎn)生4伏的電壓。鋰離子電池的最大優(yōu)點(diǎn)是離子可以嵌入電極中。大多數(shù)其他電池都是基于化學(xué)反應(yīng)，其中電極緩慢而穩(wěn)定地變化。當(dāng)鋰離子電池充電或放電時(shí)，離子在電極之間流動(dòng)，而不與周圍環(huán)境發(fā)生反應(yīng)。這意味著電池的使用壽命更長(zhǎng)，并且在數(shù)百次充電后性能不會(huì)下降。

另一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)是電池不含純鋰。 1986年，吉野彰在測(cè)試電池的安全性時(shí)，非常謹(jǐn)慎，甚至在專門設(shè)計(jì)用于爆炸物測(cè)試的房間里進(jìn)行測(cè)試。他向電池扔了一塊鐵，但什么也沒發(fā)生。然而，當(dāng)使用含有純鋰的電池重復(fù)測(cè)試時(shí)，電池劇烈爆炸。通過安全測(cè)試對(duì)于這種電池的未來前景至關(guān)重要。正如吉野彰所說：這一刻標(biāo)志著鋰電池的正式誕生。

鋰離子電池——在不需要化石燃料的社會(huì)中不可或缺

1991年，一家日本大公司率先開始銷售鋰離子電池，引發(fā)了電子行業(yè)的一場(chǎng)革命。手機(jī)體積縮小，電腦變得便攜，MP3音樂播放器和平板電腦逐漸出現(xiàn)。

此后，世界各地的研究人員沿著元素周期表依次尋找，試圖開發(fā)出性能更好的電池，但沒有一種電池能夠在電池容量和電壓方面擊敗鋰離子電池。不過，鋰離子電池近年來也一直在創(chuàng)新和改進(jìn)。例如，古迪納夫用磷酸鐵代替了電池中的氧化鈷，使電池更加環(huán)保。

和人類幾乎所有的生產(chǎn)活動(dòng)一樣，鋰離子電池的生產(chǎn)對(duì)環(huán)境有一定的影響，但也給環(huán)境帶來了巨大的效益。鋰離子電池使研究人員能夠創(chuàng)造更清潔的能源技術(shù)和電動(dòng)汽車，從而顯著減少溫室氣體和顆粒物的排放。

通過他們的研究，古迪納夫、斯坦利·惠廷漢姆和吉野彰為無線且無化石燃料的新社會(huì)創(chuàng)造了適當(dāng)?shù)臈l件，極大地造福了全人類。 （葉子、任天、陳峰，未命名）