就在剛才

2019 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予 John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham, Akira Yoshino，以表彰他們在鋰離子電池領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。

這里面特別值得一提的是，約翰·班尼斯特·古迪納夫（John B. Goodenough），也就是我們標(biāo)題里面所說的「足夠好」老爺子，今年已經(jīng) 97 歲高齡了。在此之前，這個(gè)記錄由 96 歲高齡獲得 2018 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）的保持。

鋰離子電池已經(jīng)深入到我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?，這個(gè)領(lǐng)域能獲獎(jiǎng)也是眾望所歸。今天我們就來給大家簡單聊聊鋰離子電池里面的歷史。

人類社會(huì)的發(fā)展離不開能源，幾次工業(yè)革命的發(fā)展都依賴于儲能技術(shù)的發(fā)展。今天，鋰離子電池為全世界提供著電力，從智能手機(jī)到電動(dòng)汽車，鋰離子電池已經(jīng)無處不在，它為日益機(jī)動(dòng)的世界掃平了障礙。與其他商業(yè)化的可充電電池相比，鋰離子電池由于其具有能量密度高、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，成為了各國科學(xué)家努力研究的重要方向。

鋰離子電池是一種二次電池（可充電電池），主要由正極、負(fù)極、電解液、隔膜、外電路等部分組成。在電池內(nèi)部，帶電的原子，也被稱為離子，沿著兩個(gè)電極之間的路徑運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生電流。鋰離子電池主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來工作。在充電過程中，鋰離子從正極材料中脫出，經(jīng)過電解液傳輸至負(fù)極，電子由正極經(jīng)外電路轉(zhuǎn)移至負(fù)極；而在放電過程中，鋰離子和電子的運(yùn)動(dòng)方向則與充電過程相反。在當(dāng)前最常見的一種可反復(fù)充放電的鋰離子電池中，其正極是鈷酸鋰材料，負(fù)極是碳材料。

1912年，鋰金屬電池最早由吉爾伯特·牛頓·路易士（Gilbert N. Lewis）提出并研究，但由于鋰金屬的化學(xué)性質(zhì)非常活潑，使得鋰金屬的加工、保存和使用對環(huán)境要求非常高，使得鋰電池長期沒有得到應(yīng)用。

20世紀(jì)70年代，美國爆發(fā)石油危機(jī)，政府意識到對石油進(jìn)口的過度依耐性，開始大力發(fā)展太陽能和風(fēng)能。但由于太陽能和風(fēng)能的間歇性特點(diǎn)，最終還是需要可充電電池來儲存這些可再生的清潔能源。

此時(shí)，賓漢姆頓大學(xué)化學(xué)教授斯坦利·惠廷厄姆（M. Stanley Whittingham）在紐約起草了鋰電池的初始設(shè)計(jì)方案，采用硫化鈦?zhàn)鳛檎龢O材料，金屬鋰作為負(fù)極材料，制成了首個(gè)新型鋰電池。

鋰離子電池是由鋰電池發(fā)展而來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在鋰離子電池已經(jīng)成為了主流。

鋰離子電池的基本概念，始于1972 年米歇爾·阿曼德（M. Armand）等提出的“搖椅式”電池（rocking chair battery）。在鋰離子電池的研究中，正負(fù)極材料的研發(fā)，是鋰離子電池發(fā)展的關(guān)鍵所在，有五位杰出的科學(xué)家在此方面做出了重要的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)，特別是美國奧斯汀得克薩斯大學(xué)機(jī)械工程及電子工程系教授約翰·班尼斯特·古迪納夫（John B. Goodenough）為現(xiàn)在商業(yè)化正極材料的發(fā)展做出了卓越的貢獻(xiàn)。

他在57歲時(shí)發(fā)現(xiàn)了鈷酸鋰（LiCoO2）正極材料。他的這一材料，幾乎存在于當(dāng)前每一款流通的便攜式電子設(shè)備中。

另一個(gè)重要的正極材料磷酸鐵鋰（LiFePO4）也是他的重要貢獻(xiàn)之一。1997年，以他為主的研究組報(bào)導(dǎo)了磷酸鐵鋰可逆地嵌入脫出鋰的特性。磷酸鐵鋰是目前最安全的鋰離子電池正極材料，不含任何對人體有害的重金屬元素。作為鈷酸鋰和磷酸鐵鋰等正極材料的發(fā)明人，古迪納夫在鋰離子電池領(lǐng)域聲名卓著，是名副其實(shí)的“鋰離子電池之父”。

去年，已經(jīng) 97 歲高齡的古迪納夫先生在 Nature Electronics 上刊文，回顧了可充電鋰離子電池的發(fā)明歷史，并對未來發(fā)展指明了道路。

正極材料的研究成果，最終指引日本名古屋市的旭化成公司（Asahi Kasei）以及名城大學(xué)的吉野彰（Akira Yoshino）教授制備出了第一個(gè)可充電鋰離子電池：以鈷酸鋰作鋰源正極材料、石油焦作負(fù)極材料、六氟磷酸鋰（LiPF6）溶于碳酸丙烯酯（PC）作電解液的可充放二次鋰離子電池。

這個(gè)電池成功應(yīng)用到索尼公司最早期移動(dòng)電話中，并在1991年開始商業(yè)化生產(chǎn)，標(biāo)志著鋰離子電池時(shí)代的到來。在這隨后的每天里，世界各地的科學(xué)家們都在測試和開發(fā)更為高效和安全的鋰離子電池。

參考文獻(xiàn)

[1] Armand, M.; Tarascon, J. M., Building better batteries. Nature 2008, 451 (7179), 652-657.

[2] Tarascon, J. M.; Armand, M., Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries. Nature 2001, 414 (6861), 359-367.

[3] Armand, M.; Murphy, D.; Broadhead, J., Materials for Advanced Batteries. 1980.

[4] 李泓, 鋰離子電池基礎(chǔ)科學(xué)問題（XV）——總結(jié)和展望. 儲能科學(xué)與技術(shù) 2015, 4 (3), 306-318.

[5] Nishi, Y., The development of lithium ion secondary batteries. The Chemical Record 2001, 1 (5), 406-413.