約翰·班尼斯特·古迪納夫（John B.Goodenough），邁克爾·斯坦利·惠廷漢姆（M.Stanley Whittingham）和吉野彰（Akira Yoshino）被授予2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他們對(duì)鋰離子電池研發(fā)的貢獻(xiàn)。這種可充電電池奠定了手機(jī)和筆記本電腦等無(wú)線電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)。它還使無(wú)化石燃料的世界成為可能，因?yàn)樗挥糜趶碾妱?dòng)汽車到可再生能源儲(chǔ)存的幾乎所有領(lǐng)域。

化學(xué)元素很少會(huì)在諾貝爾獎(jiǎng)的評(píng)定中發(fā)揮核心作用，但 2019 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)卻有一個(gè)明確的主角——鋰——一種古老的元素，是在宇宙大爆炸后的一分鐘內(nèi)產(chǎn)生的。直到1817年，瑞典化學(xué)家約翰·奧古斯特·阿夫維森（Johan August Arfwedson）和瓊斯·雅各布·貝澤留斯（J?ns Jacob Berzelius）從斯德哥爾摩群島的于特島?(Ut?)?上的礦物樣品中提純了鋰，人們才認(rèn)識(shí)它。

貝澤留斯用希臘語(yǔ)中的“石頭”一詞——“ lithos”——來(lái)命名這種新元素。從名字上看，鋰的密度似乎很大，但實(shí)際上它卻是世界上最輕的固態(tài)元素，這就是為什么我們幾乎很難注意到隨身攜帶的手機(jī)。

準(zhǔn)確地說(shuō)，兩位瑞典化學(xué)家得到的并不是純的金屬鋰，只是以鹽形式存在的鋰離子。金屬鋰引發(fā)了許多火災(zāi)，尤其是在我們將要講述的故事中；鋰是一種不穩(wěn)定的元素，必須存放在礦物油中，以免與空氣反應(yīng)。

鋰很活潑，這是它的缺點(diǎn)，同時(shí)也是它的優(yōu)點(diǎn)。1970 年代初期，斯坦利·惠廷漢姆利用鋰外層電子脫出時(shí)釋放的巨大能量研制出了首個(gè)實(shí)用的鋰電池。1980 年，約翰·古迪納夫?qū)㈦姵氐碾妷禾岣吡艘槐叮瑥亩鵀樯a(chǎn)更高能量密度的電池創(chuàng)造了條件。1985 年，吉野彰成功地用更安全的鋰離子取代了電池中的金屬鋰，這使得電池的應(yīng)用變得切實(shí)可行。鋰離子電池給人類帶來(lái)了非常大的益處，因?yàn)樗苿?dòng)了筆記本電腦、移動(dòng)電話、電動(dòng)汽車的發(fā)展以及太陽(yáng)能、風(fēng)能存儲(chǔ)各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。

現(xiàn)在，我們將時(shí)光倒退五十年，回眸鋰離子電池跌宕起伏的發(fā)展史。

霧霾重振電池研究

在 20 世紀(jì)中葉，世界上燃油車數(shù)量劇增，排放的尾氣加劇了城市的空氣污染。加上人們?nèi)找嬲J(rèn)識(shí)到石油是一種不可再生資源，這給汽車制造商和石油公司敲響了警鐘。為了生存，它們需要投資電動(dòng)汽車和新能源。

電動(dòng)汽車和新能源都需要能夠存儲(chǔ)大量能量的電池。當(dāng)時(shí)，市場(chǎng)上實(shí)際上只有兩種類型的可充電電池：1859年發(fā)明的鉛酸電池（至今仍用作燃油車的啟動(dòng)電池）和鎳鎘電池（它是在20世紀(jì)上半葉發(fā)明的）

石油公司投資新技術(shù)

石油耗盡的威脅導(dǎo)致石油巨頭埃克森（Exxon）決定多元化經(jīng)營(yíng)。在一項(xiàng)投資巨大的基礎(chǔ)研究中，他們招募了當(dāng)時(shí)能源領(lǐng)域中最重要的一些研究人員，讓他們可以自由地做自己想做的事，只要不涉及石油即可。

斯坦利·惠廷漢姆是1972年入職埃克森公司的人之一。他來(lái)自斯坦福大學(xué)，他的研究?jī)?nèi)容包括可利用原子尺度空隙存儲(chǔ)離子的固體材料。這種存儲(chǔ)離子的現(xiàn)象稱為插層反應(yīng)。當(dāng)離子嵌入時(shí)，材料的特性會(huì)發(fā)生變化。在埃克森，斯坦利·惠廷漢姆和他的同事開(kāi)始研究超導(dǎo)材料，其中包括可以嵌入離子的二硫化鉭。他們向二硫化鉭中摻雜了離子，并研究摻雜的離子是如何影響二硫化鉭電導(dǎo)率的。

一種能量密度極高的材料

正如在科學(xué)中經(jīng)常能見(jiàn)到的那樣，這個(gè)實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致了意想不到且有價(jià)值的發(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·惠廷漢姆開(kāi)始詳細(xì)研究這種材料時(shí)，他觀察到二硫化鉭具有很高的能量密度。鉀離子和二硫化鉭之間的相互作用蘊(yùn)含著巨大的能量，當(dāng)他測(cè)量這種材料的電壓時(shí)，發(fā)現(xiàn)有好幾伏。這比當(dāng)時(shí)的許多電池要好。

斯坦利·惠廷漢姆很快意識(shí)到，是時(shí)候改變研究方向了，轉(zhuǎn)而研究可以為未來(lái)的電動(dòng)汽車提供儲(chǔ)能的新技術(shù)。但是，鉭是重金屬元素之一，市場(chǎng)上不需要更重的電池，因此他用鈦代替了鉭，鈦具有類似的特性，但重量卻輕得多。

負(fù)極中的鋰

鋰不應(yīng)該是這個(gè)故事中的主角嗎？嗯，鋰作為斯坦利·惠廷漢姆發(fā)明的新電池的負(fù)極，即將登場(chǎng)。鋰可不是隨便被挑出來(lái)作為負(fù)極的，在電池中，放電時(shí)電子應(yīng)從負(fù)極（陽(yáng)極）流向正極（陰極）。因此，負(fù)極要是一種容易失電子的材料，而在所有元素中，鋰是最容易失電子的材料。

最終，這種可充電鋰電池可以在室溫下工作，并且確實(shí)具有很高的電壓。斯坦利·惠廷漢姆前往位于紐約的?？松偛坑懻撛擁?xiàng)目。會(huì)議持續(xù)了大約十五分鐘，管理團(tuán)隊(duì)隨后迅速做出了一個(gè)決定：他們將利用惠廷漢姆的發(fā)現(xiàn)開(kāi)發(fā)可商用的電池。

電池爆炸，油價(jià)下跌

不幸的是，小組剛開(kāi)始生產(chǎn)電池就遭受了一些挫折。隨著鋰電池被反復(fù)充放電，金屬鋰負(fù)極上會(huì)生長(zhǎng)出鋰枝晶。當(dāng)它們長(zhǎng)到正極時(shí)，電池會(huì)短路，就可能導(dǎo)致爆炸。在消防隊(duì)撲滅了好幾場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室大火后，最終只好要求實(shí)驗(yàn)室支付特種化學(xué)藥品的費(fèi)用，這些藥品被用于撲滅金屬鋰誘發(fā)的火災(zāi)。

* 譯者注：在我國(guó)，火災(zāi)分為 A~F 六類,金屬鋰火災(zāi)屬 D 類。對(duì)于該類火災(zāi)，常規(guī)的各種滅火劑，如水基、干粉、氣體滅火劑等均不適用，需要使用特種滅火劑。

為了使電池更安全，惠廷漢姆把鋁添加到金屬鋰中，形成鋁鋰合金，并更換電池中的電解質(zhì)。斯坦利·惠廷漢姆于1976年宣布了自己的發(fā)現(xiàn)，該電池開(kāi)始生產(chǎn)，并小規(guī)模供給瑞士制表師，他們希望將其用于太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的表中。

此后的下一個(gè)目標(biāo)是增加可充電鋰電池的尺寸，讓其可以為汽車供電。但是，石油價(jià)格在 1980 年代初暴跌，?？松枰鳒p開(kāi)支。因?yàn)檠邪l(fā)工作中斷，惠廷漢姆的電池技術(shù)授權(quán)給了世界上三個(gè)不同地區(qū)的三家公司。

但是，這并不意味著研發(fā)停止了。?？松艞壓螅s翰·古迪納夫接手了。

石油危機(jī)使古迪納夫?qū)﹄姵馗信d趣

在約翰·古迪納夫還是個(gè)小孩的時(shí)候，他患有閱讀障礙，這是小時(shí)候的他沉醉于數(shù)學(xué)的原因之一。在第二次世界大戰(zhàn)之后，他最終被物理學(xué)所吸引。他在麻省理工學(xué)院（MIT）的林肯實(shí)驗(yàn)室工作了多年。在此期間，他為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）的研發(fā)做出了貢獻(xiàn)，直到今天，RAM 仍然是計(jì)算機(jī)的基本組成部分。

受到石油危機(jī)的影響，約翰·古迪納夫與上世紀(jì) 70 年代的其他許多人一樣，希望為新能源的開(kāi)發(fā)做出貢獻(xiàn)。但是，林肯實(shí)驗(yàn)室是由美國(guó)空軍資助的，不允許隨意進(jìn)行其他方面的研究。因此當(dāng)英國(guó)牛津大學(xué)聘請(qǐng)他為無(wú)機(jī)化學(xué)教授時(shí)，他抓住了機(jī)會(huì)，進(jìn)入了能源研究的世界里。

鈷酸鋰造就高電壓電池

古迪納夫?qū)萃h姆革命性的電池早有耳聞，彼時(shí)這一電池使用的還是金屬硫化物正極，古迪納夫的專業(yè)知識(shí)讓他想到，使用金屬氧化物代替金屬硫化物，能夠提高正極電勢(shì)。很快，古迪納夫及其團(tuán)隊(duì)著手尋找一種在嵌入鋰離子時(shí)能夠提供高電壓，且脫出鋰時(shí)結(jié)構(gòu)不塌陷的金屬氧化物正極材料。

這種電池體系的成功遠(yuǎn)超古迪納夫的想象。惠廷漢姆的電池能產(chǎn)生超過(guò) 2V 的電壓，而古迪納夫發(fā)現(xiàn)，以鈷酸鋰為正極的電池體系能產(chǎn)生兩倍于惠廷漢姆的電池的電壓，為 4V。

古迪納夫成功的關(guān)鍵在于他認(rèn)識(shí)到，電池材料不需要在制備之初就處于滿電狀態(tài)，而是可以在制備之后進(jìn)行充電。1980 年，他發(fā)表了這項(xiàng)研究，使用這種質(zhì)量輕，能量密度高的新型正極材料，可以研制出高容量電池。這是邁向無(wú)線通訊中至關(guān)重要的一步。

渴求輕薄電池

隨著石油價(jià)格的下跌，西方國(guó)家對(duì)新能源技術(shù)和電動(dòng)汽車的投資減少。然而，日本的一些公司正迫切地需要輕薄的可充電電池，這種電池可以為攝像機(jī)、無(wú)線電話、計(jì)算機(jī)等新型電子設(shè)備供電。旭化成公司的吉野彰敏銳地捕捉到了這個(gè)需求。或正如他所說(shuō)：“我只是聞到了在不斷變化的形勢(shì)，你可以說(shuō)我有很好的嗅覺(jué)?！?/p>

吉野彰成功研制首款商用鋰離子電池

吉野彰決定用古迪納夫的鈷酸鋰作正極，并嘗試各種碳基材料作負(fù)極，研制一種實(shí)用的可充電電池。研究人員在此之前發(fā)現(xiàn)，鋰離子能夠插入石墨的分子層中，但與此同時(shí)，石墨的結(jié)構(gòu)會(huì)被電解質(zhì)破壞。然而吉野彰別出心裁地使用了石油工業(yè)的副產(chǎn)物——石油焦——成功解決了這一問(wèn)題。鋰離子在充電時(shí)嵌入石油焦負(fù)極，當(dāng)電池放電時(shí)，鋰離子能夠遷移到鈷酸鋰正極，這種電池具有更高的電壓。

吉野彰研制的電池穩(wěn)定、輕便、高容量，且能夠產(chǎn)生 4V 的電壓。鋰離子電池的最大優(yōu)點(diǎn)在于鋰離子能夠嵌入電極中。大多數(shù)電池充放電時(shí)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)會(huì)使其電極發(fā)生緩慢的變化。而鋰離子電池充放電時(shí)，鋰離子在電極之間來(lái)回遷移而不和周圍物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。這意味著鋰離子電池壽命很長(zhǎng)，可以進(jìn)行數(shù)百次的充放電。

鋰離子電池的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，在于鋰離子電池不含金屬鋰。1986年，吉野彰小心翼翼地用爆炸測(cè)試裝置來(lái)進(jìn)行電池的安全性測(cè)試。他在電池上放了一大塊鐵，但什么也沒(méi)發(fā)生?？墒怯秘?fù)極是金屬鋰的電池重復(fù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)生了劇烈爆炸。

成功通過(guò)安全性測(cè)試對(duì)鋰離子電池的未來(lái)至關(guān)重要。吉野彰說(shuō)，這是“鋰離子電池誕生的時(shí)刻”。

鋰離子電池

——無(wú)化石燃料社會(huì)的必需品

1991 年，日本一家大型的電子公司開(kāi)始銷售第一款鋰離子電池，引發(fā)了電子設(shè)備的革命。手機(jī)、計(jì)算機(jī)輕便化，MP3、平板電腦等電子設(shè)備也應(yīng)運(yùn)而生。

隨后，世界各地的研究人員遍歷元素周期表中的元素，以期研制出更好的電池，但還沒(méi)有任何一款電池能在高容量和高電壓方面超過(guò)鋰離子電池。當(dāng)然，鋰離子電池體系也在不斷經(jīng)歷演變和改進(jìn)，這其中就包括古迪納夫使用磷酸鐵鋰替代鈷酸鋰等，從而使得鋰離子電池更加環(huán)保。

鋰離子電池的生產(chǎn)對(duì)環(huán)境有影響，但也有巨大的環(huán)境效益。鋰離子電池推動(dòng)了清潔能源技術(shù)和電動(dòng)汽車的發(fā)展，從而有助于減少溫室氣體和細(xì)顆粒物的排放。

由此，古迪納夫、惠廷漢姆和吉野彰的工作為無(wú)線通訊和無(wú)化石燃料的社會(huì)創(chuàng)造了適當(dāng)?shù)臈l件，為人類發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。

更多內(nèi)容

關(guān)于今年獎(jiǎng)項(xiàng)的更多信息，包括英語(yǔ)的科學(xué)背景，可在瑞典皇家科學(xué)院網(wǎng)站和www.nobelprize.org?查閱，在那里你可以觀看新聞發(fā)布會(huì)、諾貝爾演講等視頻。有關(guān)諾貝爾獎(jiǎng)和經(jīng)濟(jì)科學(xué)獎(jiǎng)的展覽和活動(dòng)的信息可查閱?www.nobelprizemuseum.se。