□ 楊艷艷

瑞典皇家科學(xué)院10月9日宣布，將2019年諾貝爾化學(xué)獎授予美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校機械工程和材料科學(xué)教授約翰·古迪納夫（John B.Goodenough），美國紐約州立大學(xué)賓漢姆頓分?；瘜W(xué)和材料科學(xué)與工程教授斯坦利·惠廷厄姆（M.Stanley Whittingham）和日本名城大學(xué)教授吉野彰（Akira Yoshino），以獎勵他們“在發(fā)明鋰電池過程中做出的貢獻”。

此次諾貝爾化學(xué)獎花落鋰離子電池可謂眾望所歸。早前美國化學(xué)會周刊《化學(xué)化工新聞》（C＆EN）曾做出預(yù)測，今年的化學(xué)獎很有可能會在電池研究、基因編輯技術(shù)、金屬有機框架材料研究等改變?nèi)祟愂澜缟畹娜箢I(lǐng)域中產(chǎn)生，并猜測今年的獲獎?wù)呖赡軙?7歲高齡的“鋰電池之父”教授古迪納夫。

鋰電池作為當今世界不可或缺的便攜式能量源，其重要性不言而喻，諾貝爾獎官方聲明寫道：“他們?yōu)橐粋€無線、無化石燃料社會創(chuàng)造了適當?shù)臈l件，從而為人類帶來了最大的利益?！比绻麤]有上述3位科學(xué)家發(fā)明的鋰電池，就沒有現(xiàn)在便捷的智能手機、筆記本電腦、電動汽車，更不會有今天火熱的移動互聯(lián)網(wǎng)。如今看似平常的鋰電池，從研發(fā)基礎(chǔ)的構(gòu)建到完全實現(xiàn)商業(yè)化，其誕生之路是曲折而漫長的。

天然的能量載體

鋰電池主要由陰極、陽極、電解液、隔膜、外電路等部分組成，因鋰離子在陰陽極之間移動而產(chǎn)生電流。因此電池陰陽極材料的選擇對于能效和安全性至關(guān)重要。目前最普遍的可充電鋰電池，通常使用鈷酸鋰材料為陰極，碳材料為陽極。而說到鋰電池，就要從“鋰”元素開始。1817年，瑞典化學(xué)家Johan August Arfwedson和Jns Jacob Berzelius首次將鋰從一個瑞典小島的礦石樣本中提取出來。當時Berzelius以希臘語中的“石頭、石子”命名了它，“鋰”是目前已知的最輕的固體元素。

不過當時被發(fā)現(xiàn)的鋰并不是純的金屬鋰，而是鋰鹽。因為純鋰的化學(xué)性質(zhì)十分活潑，在一定條件下，能與除稀有氣體外的大部分非金屬反應(yīng)，因此必須儲存在石油中。純鋰的提取并不容易，直到1821年，William Thomas Brande使用化學(xué)家Humphry Davy發(fā)明的電解法來電解氧化鋰才獲得了微量的鋰。時隔34年，德國化學(xué)家Robert Bunsen和英國化學(xué)家Augustus Matthiessen通過電解氯化鋰獲得了大量的鋰。1923年，德國Metallgesellschaft AG公司開始了鋰的商業(yè)化生產(chǎn)。

毋庸置疑，好的能量載體需要能以盡可能小的體積和重量去存儲和搬運更多的能量。而鋰的特性為其成為能量載體提供了可能：鋰原子相對質(zhì)量小，得失電子能力強，電子轉(zhuǎn)移比例高。換句話說，選擇鋰元素來做電池，是基于地球當前的所有元素中，我們能夠找到的相對優(yōu)解。

鋰電池的前生今世

鋰電池是怎么誕生的呢？這要從20世紀60年代說起。當時，電池并不是什么新鮮玩意兒。人們早就知道電池需要有兩個電極，即陰極和陽極，且電極之間需要有電解質(zhì)能夠讓離子移動。當電池放電時，帶正電的離子會從陽極跑到陰極從而產(chǎn)生電流?？上攵瑑蓚€電極與電解質(zhì)的材料決定了電池的性能。想要改進電池性能，科學(xué)家們就需要嘗試各種不同的材料。面對這樣一件枯燥的事，很少有人愿意投身其中。

社會需求正是科技發(fā)展的動力。1966年，福特公司徹底改變了這一現(xiàn)狀。當推出了著名的T型車后，福特公司決定投資電力驅(qū)動的汽車。為了提供車輛行駛的能源，福特公司推出了一種新型的硫化鈉電池——硫做陰極鈉做陽極，較最初電動汽車所使用的鉛酸電池而言，新電池質(zhì)量輕而且能量密度高。乍看起來不錯，但汽車電池的工作溫度可高達至300℃，而鈉在98℃就會融化，遇見空氣就著火，安全顯然很成問題。盡管如此，福特聲稱硫化鈉電池汽車可以跑200英里，充電只需要一個小時。福特公司的豪言雖然沒有真正兌現(xiàn)，但這卻在當時激起了一股研究電池的熱潮?！耙凰查g，所有的事情都改變了，電池不再是枯燥乏味的領(lǐng)域”，古迪納夫教授回憶說。

這股對電池的狂熱一直持續(xù)到了20世紀70年代：在石油危機的影響下，人們越發(fā)相信，電力驅(qū)動才是未來，鋰電池的雛形就是在那時產(chǎn)生的。

1968年，27歲的英國人惠廷厄姆博士畢業(yè)后來到美國，從此再未離開。惠廷厄姆先在斯坦福大學(xué)做了3年的固態(tài)電化學(xué)博士后研究員。期間，他發(fā)現(xiàn)鋰離子可以在層狀材料二硫化鈦可逆地嵌入析出。與早期的鋰電池不同，惠廷厄姆指明了除“鋰轉(zhuǎn)化”之外的另一個技術(shù)路徑“鋰嵌入”，通俗地講，即以特殊的層狀材料作為宿主，鋰離子作為客人可以較為隨意地嵌入或脫出，基本不影響宿主的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。鋰嵌入大大提高了充放電反應(yīng)的可逆性，也避免使用鋰金屬作為負極，從而提高了安全性。從“鋰轉(zhuǎn)化”到“鋰嵌入”，是鋰電池的技術(shù)革命，惠廷厄姆也因此貢獻而被稱為“鋰電之父”。這一發(fā)現(xiàn)在當時引起了很大的反響。1972年，惠廷厄姆被?？松荆‥xxon）招致麾下，開始了鋰電池研究的職業(yè)生涯。

作為當時全世界最大的石油巨頭，埃克森公司判斷，石油資源將在不遠的將來枯竭，必須早做打算。為此，埃克森公司為實驗室的研究人員提供他們所需要的一切。1976年，在經(jīng)歷了極為保密的研究之后，惠廷厄姆和他的團隊終于制成了世界上第一塊可充電的鋰離子電池，并獲得專利。他們創(chuàng)造性地采用硫化鈦作為正極材料，金屬鋰作為負極材料，通過鋰離子在電池正、負極之間穿梭往來形成電流。

這是一個極大的進步，鋰電池輕巧且高能，移動電子初現(xiàn)曙光。但這種電池極不實用，不僅原材料價格昂貴（硫化鈦當時售價每公斤1000美元），還存在很大的安全隱患，?？松咀罱K放棄了這個項目。

無限風(fēng)光在險峰，既然問題出在電極的材料上，或許替換電極就能解決問題。1980年，古迪納夫團隊做出突破。他們發(fā)現(xiàn)鋰的金屬氧化物或許能成為鋰電池的電極。一方面，它依然能釋放鋰離子；另一方面，它更為穩(wěn)定，且沒有安全隱患。在當年的Materials Research Bulletin雜志上，他的團隊表明鈷酸鋰能成為鋰電池的陰極材料。時至今日，我們依舊在使用這種材料制造鋰電池。

而電池另一極的研發(fā)則發(fā)生在大洋彼岸的日本。同樣是在1980年，一些科學(xué)家指出，石墨或許能成為鋰電池的陽極材料。然而電池中的一些可溶分子會插入到石墨的碳結(jié)構(gòu)中，造成破壞。當時吉野彰因找不到合適的陰極材料而苦惱，直到他讀到古迪納夫的論文，才興奮地說，“他的發(fā)現(xiàn)給了我所需要的一切”。之后吉野彰與其同事則使用聚乙炔作為陽極材料，并一舉取得成功。1985年，吉野彰利用鈷酸鋰和聚乙炔制造出了第一塊現(xiàn)代鋰電池。1991年，古迪納夫與吉野彰兩人合作發(fā)明的鋰離子電池終于由SONY首次推向市場實現(xiàn)商業(yè)化，它輕巧耐用、安全可靠，在性能下降前可充放電數(shù)百次。這標志著一個嶄新的時代到來了。

然而在鋰電池開發(fā)后不久，銷售情況并不理想。吉野彰曾在一次采訪中表示，在開發(fā)后的頭3年，鋰電池完全賣不出去，那時他常感到身心沉重、備受折磨。同時吉野彰還發(fā)現(xiàn)，電動汽車所使用的電池要具備耐用性，不僅要有良好的續(xù)航能力，能夠行駛更長的距離，還要經(jīng)得起頻繁啟動。

此外，鋰電池自身的缺陷也為其的廣泛推廣設(shè)置了障礙。鈷酸鋰雖然儲能性能好，安全性也不錯，但仍不是一個十全十美的材料。其一，長時間使用后，鈷酸鋰的層狀結(jié)構(gòu)容易崩塌，崩塌的層之間無法再進行鋰離子的存儲，造成電池整體的性能衰減。其二，鈷酸鋰實在太貴。鈷元素本身就是一種戰(zhàn)略資源，產(chǎn)地只有非洲和美洲一些小國，隨著鋰離子電池的日益興盛，對鈷的需求更是與日俱增，從而極大提高了鈷酸鋰的成本。

困難是阻擋科技進步的深淵，但同時也將促使科技的進一步發(fā)展。在新困擾的面前，古迪納夫及其團隊再次帶給人們驚喜。1997年，75歲的古迪納夫及其團隊研制出一種叫作磷酸鐵鋰的新材料。磷酸鐵鋰（LiFePO4）可簡稱為LFP，在它的晶體結(jié)構(gòu)中，鐵與氧組成FeO6八面體，磷與氧組成PO4四面體，這些八面體與六面體按照一定規(guī)則構(gòu)成骨架，形成Z字形的鏈狀結(jié)構(gòu)，而鋰原子則占據(jù)空間骨架中所構(gòu)成的空位中。相較于鈷酸鋰的層狀結(jié)構(gòu)，LFP的空間骨架結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，鋰離子在骨架的通道中也能快速移動。同時，LFP的成分是極其廉價的鐵與磷，價格遠低于鈷。

可以說正是磷酸鐵鋰的出現(xiàn)，催生了“可攜帶便攜電子設(shè)備”的誕生。近70年來，有兩種材料的出現(xiàn)可以稱為超級發(fā)明。一個是晶體管的發(fā)明，因為沒有晶體管就沒有電子產(chǎn)品。另一個就是鋰電池的發(fā)明，因為鋰電池的出現(xiàn)，才有了相機、手機、筆記本電腦、電動車等可移動便攜電子設(shè)備。先有鈷酸鋰，后又有磷酸鐵鋰，對于鋰電池的誕生，古迪納夫可以說是居功至偉，其“鋰離子電池之父”的稱號當之無愧。

科研無止境

今年鋰離子電池榮獲諾貝爾化學(xué)獎，對于惠廷厄姆、古迪納夫和吉野彰來說是莫大的肯定與鼓勵。獲獎后的吉野彰在日本東京出席新聞發(fā)布會時曾說：“像鋰電池這種裝置類研究，一直都輪不到得獎機會，但如果時機到來的話，絕對可以獲獎。沒想到竟然真的就得獎了?！?/p>

科研之路永無止境，如今平均年齡超過80歲的3位諾貝爾化學(xué)獎得主仍都堅持工作在鋰電池研究的第一線，他們希望能進一步提升鋰電池的性能。對于今后的展望，吉野彰認為，鋰電池能蓄電是最基本功能，如果普及的話，發(fā)電技術(shù)就更容易普及。身為研究人員，思考今后要與再生能源做結(jié)合，一定要利用新的發(fā)電系統(tǒng)才行。而98歲高齡的古迪納夫則認為，“電動汽車在價格競爭上，仍舊無法與內(nèi)燃機車抗衡。當太陽能和風(fēng)力發(fā)電時，電力必須被立即使用，否則就會永遠消失。這意味著世上還沒有一種經(jīng)濟的固定式電池可以存儲電能。世界需要一枚超級電池。我就想研究這個?！?/p>

目前，古迪納夫在研究中發(fā)現(xiàn)，玻璃電解質(zhì)可以取代常規(guī)鋰電池中所使用的液體電解質(zhì)。與常規(guī)電池中的液體電解質(zhì)相似，玻璃電解質(zhì)也能很好地通導(dǎo)鋰離子與鈉離子。不僅如此，由于這種固體電解質(zhì)其導(dǎo)帶的能量要高于鋰，能量密度可以達到傳統(tǒng)鋰離子電池的3倍。換句話說，該玻璃電解質(zhì)固態(tài)電池理論上可以在相同大小實現(xiàn)3倍電池容量。據(jù)此推算，4000毫安的手機電池可以擴充到12000毫安，續(xù)航600公里的電動汽車可以提升到1800公里以上（不計損耗）。雖然該項研究目前還處于起步階段，但古迪納夫?qū)@個方向充滿了信心。

社會需求就是科技進步的動力之源。動力電池、儲能電池和3C電池是鋰電池的3個主要應(yīng)用領(lǐng)域。在純電動乘用車市場，消費者需要高能量電池以滿足對續(xù)航里程的需求，未來高能量密度NCM811電池的需求量仍會增加；在智能手機領(lǐng)域，手機電池將朝體積小、容量大、重量輕、能量密度高的方向發(fā)展……來自各個領(lǐng)域的不同需求，將繼續(xù)引導(dǎo)新的研究方向。鋰電池，未來可期。

獲獎人簡介：

約翰·古迪納夫（John B.Goodenough），1922年7月25日在德國出生，美國得克薩斯州大學(xué)奧斯汀分校機械工程系教授、固體物理學(xué)家，是鈷酸鋰、錳酸鋰和磷酸鐵鋰正極材料的發(fā)明人，鋰離子電池的奠基人之一?，F(xiàn)年97歲的古迪納夫也成為獲獎時年齡最長的諾貝爾獎得主。

斯坦利·惠廷厄姆（M.Stanley Whittingham），紐約州立大學(xué)Binghamton分?；瘜W(xué)和材料科學(xué)與工程教授，鋰電池研究先驅(qū)。1941年出生，本科、碩士和博士均畢業(yè)于牛津大學(xué)。加入Binghamton之前，長期在?？松竟ぷ?，從事電池研發(fā)。

吉野彰（Akira Yoshino），1948年1月30日出生于日本大阪，畢業(yè)于京都大學(xué)和大阪大學(xué)，現(xiàn)任旭化成研究員、名城大學(xué)教授。紫綬褒章表彰。智能手機和電動汽車使用的鋰離子電池的開發(fā)者、旭化成公司研究員，旭化成株式會社吉野研究室室長，京都大學(xué)大學(xué)院工學(xué)研究專業(yè)特命教授。