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10月9日消息，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·古迪納夫（John B。 Goodenough）、斯坦利·威廷漢（M。 Stanley Whittingham）和吉野彰，以表彰他們對(duì)鋰離子電池的研究。這種可充電電池為手機(jī)和筆記本電腦等無線電子產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)，還使一個(gè)無化石燃料的世界成為可能。從為電動(dòng)汽車提供動(dòng)力，到儲(chǔ)存可再生能源，鋰離子電池展現(xiàn)出了廣泛的用途。
引言
電能為我們的生活提供了能量，無論何時(shí)何地，我們都需要電能。如今，即使附近沒有電源插座，我們也可以十分方便、高效地獲取電能。我們的移動(dòng)方式越來越無拘無束，對(duì)電線的依賴也越來越少，可以在一個(gè)可能更健康的環(huán)境中享受高機(jī)動(dòng)性。這一令人矚目的發(fā)展是由高效的儲(chǔ)能設(shè)備實(shí)現(xiàn)的。高容量電池使各種電動(dòng)工具和車輛成為可能。原則上，我們都可以便捷地使用手機(jī)、相機(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)工具等，依靠高效的電池為它們提供動(dòng)力。隨著現(xiàn)代電池技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)汽車也越來越受歡迎。我們正處在擺脫化石燃料汽車的時(shí)代。此外，有效的能源儲(chǔ)存是對(duì)不穩(wěn)定的能源（如風(fēng)能和太陽(yáng)能）的重要補(bǔ)充。有了電池，供需鏈可以隨著時(shí)間的推移而平衡，即使在沒有能源產(chǎn)出的情況下也是如此。
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能量存儲(chǔ)技術(shù)，并促成了移動(dòng)革命的實(shí)現(xiàn)。通過鋰離子電池的高電勢(shì)，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，總體而言，電池的發(fā)展非常艱巨且具有挑戰(zhàn)性，尤其是鋰電池。自1800年亞歷山德羅·伏特提出他著名的“電池堆”以來，無數(shù)的科學(xué)家和工程師為電池的開發(fā)投入了巨大的努力。
從基本結(jié)構(gòu)上，電池的工作原理是相對(duì)簡(jiǎn)單的。電池由兩個(gè)電極組成，每個(gè)電極連接到一個(gè)電路，電解液可以容納帶電的物質(zhì)。通常情況下，電極之間被一種隔離材料隔開，這種隔離材料可以防止電極之間的物理接觸，從而避免電池短路。在放電模式下，當(dāng)電池驅(qū)動(dòng)電流時(shí)，負(fù)極（陽(yáng)極）發(fā)生氧化過程，導(dǎo)致電子從電極流出并穿過電路。在正極（陰極）會(huì)發(fā)生一個(gè)互補(bǔ)的還原過程，從電路中獲得電子。電池電壓很大程度上取決于電極的電勢(shì)差，整個(gè)過程是自發(fā)的。對(duì)于可充電電池，這一過程可以逆轉(zhuǎn)，外加電流可作用于電極，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。
許多在學(xué)術(shù)界、工業(yè)界甚至是獨(dú)立工作的科學(xué)家和工程師都為電池的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，他們也深深理解開發(fā)高效電池是一項(xiàng)非常困難的任務(wù)。因此，電池發(fā)展相對(duì)緩慢，只有極少數(shù)有效的電池配置在設(shè)計(jì)成功后應(yīng)用多年。例如，我們?nèi)匀灰蕾囉?9世紀(jì)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，研究人員解決了諸多挑戰(zhàn)，終于鋰離子電池成為現(xiàn)實(shí)，從根本上改變了我們的世界。
背景
一種元素很少在戲劇中扮演核心角色，但2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的故事中，有一個(gè)明確的主角：鋰。這是一種在大爆炸的最初幾分鐘內(nèi)產(chǎn)生的古老元素。1817年，當(dāng)瑞典化學(xué)家Johan August Arfwedson和Jns Jacob Berzelius從斯德哥爾摩群島烏托礦（Ut Mine）的礦物樣本中提純出這種物質(zhì)時(shí)，人類才知道它的存在。
Berzelius將這種新元素命名為“lithos”，這個(gè)詞在希臘語中意思是“石頭”。盡管名字很厚重，但它卻是最輕的固體元素。這也正是我們有時(shí)幾乎不會(huì)注意到手機(jī)的原因。
更確切地說，瑞典化學(xué)家實(shí)際上并沒有發(fā)現(xiàn)純金屬鋰，而是發(fā)現(xiàn)了一種鹽形式的鋰離子。純鋰引發(fā)了許多火災(zāi)警報(bào)，尤其是在我們將要講述的故事中；這是一種不穩(wěn)定的元素，必須儲(chǔ)存在石油中，這樣才不會(huì)與空氣發(fā)生反應(yīng)。
鋰是一種金屬，其外電子層只有一個(gè)電子，因此有很強(qiáng)的動(dòng)力把這個(gè)電子留給另一個(gè)原子。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，就會(huì)形成一個(gè)更穩(wěn)定的帶正電荷鋰離子。
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·威廷漢開發(fā)了第一塊功能齊全的鋰電池，他利用了鋰釋放其外層電子強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)力。1980年，古迪納夫?qū)㈦姵氐碾妱?shì)提高了一倍，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，而是完全基于鋰離子，因?yàn)殇囯x子比純鋰更安全。
這使得鋰電池成為了實(shí)際可行的電池。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(yáng)能和風(fēng)能的儲(chǔ)存成為可能。
我們將回到50年前，回到鋰離子電池最初的時(shí)代。
石油陰霾使電池研究重獲新生
最初的可充電電池的電極中含有固體物質(zhì)，當(dāng)它們與電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)就會(huì)分解。這一過程會(huì)損毀電池。斯坦利·威廷漢的鋰電池的優(yōu)點(diǎn)是，鋰離子儲(chǔ)存在陰極的二硫化鈦空間中。當(dāng)電池使用時(shí)，鋰離子會(huì)從陽(yáng)極的鋰流向陰極的二硫化鈦；而當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子又會(huì)回流。
20世紀(jì)中期，世界上使用汽油的汽車數(shù)量顯著增加，汽車排放的廢氣使大城市里的有害霧霾更加嚴(yán)重。與此同時(shí)，人們?nèi)找嬲J(rèn)識(shí)到石油是一種有限資源。這一切都為汽車制造商和石油公司敲響了警鐘。如果他們的企業(yè)要生存下去，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)大的電池來儲(chǔ)存大量的能量。實(shí)際上，當(dāng)時(shí)市場(chǎng)上只有兩種類型的可充電電池：早在1859年發(fā)明的鉛酸電池（目前仍然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。
石油公司投資新技術(shù)
面臨石油枯竭的威脅，石油巨頭?？松‥xxon）決定將其業(yè)務(wù)多樣化。在一項(xiàng)基礎(chǔ)研究的重大投資中，?？松菊心剂水?dāng)時(shí)在能源領(lǐng)域最重要的一些研究人員，讓他們可以自由地做幾乎任何想做的事情，只要不涉及石油。
當(dāng)以純鋰為陽(yáng)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。
斯坦利·威廷漢是1972年加入?？松镜目茖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。這些材料中具有原子大小的空間，可以讓帶電離子附著在上面。這種現(xiàn)象稱為嵌入（intercalation）。當(dāng)離子在材料內(nèi)部被捕獲時(shí)，材料的性質(zhì)就會(huì)改變。在埃克森，斯坦利·威廷漢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?cè)诙蚧g中加入離子，并研究其電導(dǎo)率會(huì)受何影響。
威廷漢發(fā)現(xiàn)了一種能量密度極高的物質(zhì)
就像科學(xué)上經(jīng)常發(fā)生的情況一樣，這個(gè)實(shí)驗(yàn)帶來了一個(gè)意想不到的發(fā)現(xiàn)。原來鉀離子會(huì)影響了二硫化鉭的電導(dǎo)率。當(dāng)斯坦利·威廷漢開始詳細(xì)研究這種材料時(shí)，他觀察到它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)威廷漢測(cè)量這種材料的電壓時(shí)，發(fā)現(xiàn)可達(dá)好幾伏，這比當(dāng)時(shí)的電池好多了。斯坦利·威廷漢很快意識(shí)到是時(shí)候改變方向了，他轉(zhuǎn)向了能為未來的電動(dòng)汽車儲(chǔ)存能量的新技術(shù)。然而，鉭是一種比較重的元素，而市場(chǎng)上不需要裝載更重的電池。因此，他用鈦代替了鉭，鈦的性質(zhì)與鉭相似，但重量輕得多。
作為負(fù)極的鋰
古迪納夫開始在鋰電池的陰極中使用鈷氧化物。這幾乎使電池的電勢(shì)翻了一番，使其更加強(qiáng)大。
于是，在鋰離子電池的故事中，鋰開始占據(jù)最重要的位置。作為斯坦利·威廷漢的新電池的負(fù)極，鋰并不是一個(gè)隨機(jī)的選擇。在電池中，電子應(yīng)該從負(fù)極（陽(yáng)極）流向正極（陰極）。因此，負(fù)極應(yīng)該使用一種很容易失去電子的材料，而在所有的元素中，鋰是最愿意釋放電子的元素。
這么做的結(jié)果就是，斯坦利·威廷漢開發(fā)出了一種可在室溫下工作的可充電鋰電池，它具有很大的電勢(shì)，也具有巨大的潛力。他前往埃克森位于紐約的總部，就該項(xiàng)目進(jìn)行了討論。會(huì)議持續(xù)了大約15分鐘，管理團(tuán)隊(duì)隨后迅速做出決定：他們將利用斯坦利·威廷漢的發(fā)現(xiàn)開發(fā)一種具有商業(yè)可行性的電池。
電池爆炸和油價(jià)下跌
不幸的是，準(zhǔn)備開始生產(chǎn)電池的小組遇到了一些困難。隨著新的鋰電池被反復(fù)充電，在鋰電極上開始出現(xiàn)薄層的鋰物質(zhì)。當(dāng)它們抵達(dá)另一個(gè)電極時(shí)，電池就會(huì)出現(xiàn)短路并引發(fā)爆炸。消防隊(duì)不得不多次出動(dòng)撲滅火災(zāi)，他們威脅要實(shí)驗(yàn)室支付用于撲滅這些鋰電池大火所消耗的特殊化學(xué)物質(zhì)的費(fèi)用。為了讓電池更加安全，在金屬鋰電極中加入了鋁，兩個(gè)電極之間的電解液也進(jìn)行了更換。
斯坦利·威廷漢在1976年宣布了自己的發(fā)現(xiàn)，隨后電池開始為一家瑞士鐘表商進(jìn)行小規(guī)模生產(chǎn)，并計(jì)劃將其用于太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的鐘表當(dāng)中。下一步的目標(biāo)是擴(kuò)充電池的容量，以便使其能夠?yàn)槠嚦潆?。但是?980年代初，石油價(jià)格突然出現(xiàn)顯著下降，?？松拘枰鳒p成本。于是相關(guān)研究工作被停了下來，威廷漢所發(fā)明的技術(shù)被授權(quán)給了世界三個(gè)不同地區(qū)的三家不同的公司。但這并非意味著研究工作的終結(jié)。當(dāng)?？松痉艞壪嚓P(guān)工作之后，約翰·古迪納夫接手了。
吉野彰研制出了第一款可商用鋰離子電池。他在陰極使用了古迪納夫的鋰-鈷氧化物，并在陽(yáng)極使用了一種名為石油焦的碳基材料，該材料中也可以插入鋰離子。這款電池在發(fā)揮功能時(shí)，并不會(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)，使電池壽命大大延長(zhǎng)
石油危機(jī)讓古迪納夫開始對(duì)電池技術(shù)感興趣
還是一個(gè)孩子時(shí)，古迪納夫在閱讀方面存在明顯障礙，這也是為何他會(huì)被數(shù)學(xué)吸引，并最終，在二戰(zhàn)結(jié)束之后，開始研究物理學(xué)的原因之一。他在美國(guó)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)存儲(chǔ)器（RAM）的研究做出了貢獻(xiàn)，時(shí)至今日RAM依舊是我們計(jì)算機(jī)中不可或缺的部件。
古迪納夫和上世紀(jì)1970年代的許多人一樣，都深深受到了石油危機(jī)的影響，于是他希望能夠?yàn)槟茉吹奶娲x擇做出貢獻(xiàn)。然而，林肯實(shí)驗(yàn)室是由美國(guó)空軍資助的，并不允許從事這類研究。因此，當(dāng)他被提供一個(gè)在英國(guó)牛津大學(xué)擔(dān)任無機(jī)化學(xué)教授的機(jī)會(huì)時(shí)，他抓住了機(jī)會(huì)并最終一頭扎進(jìn)了重要的能源研究領(lǐng)域之中。
當(dāng)鋰離子與氧化鈷結(jié)合時(shí)所產(chǎn)生的高電壓
古迪納夫知道威廷漢發(fā)明的革命性的新電池技術(shù)，但他對(duì)于物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的專業(yè)知識(shí)告訴他，如果電池的陰極用金屬氧化物，而不是金屬硫化物來制作，那么陰極的電勢(shì)將可以更高一些。于是他的研究組的幾位成員被交代了一項(xiàng)任務(wù)，尋找合適的金屬氧化物，其應(yīng)當(dāng)可以在鋰離子作用下可以產(chǎn)生比較高的電壓，并且當(dāng)這些離子被去除時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)問題。
這一系統(tǒng)性搜尋的結(jié)果要比古迪納夫原先設(shè)想的高得多。威廷漢的電池可以產(chǎn)生略多于2伏特的電壓，但古迪納夫發(fā)現(xiàn)，在陰極中使用鈷酸鋰材料的電池產(chǎn)生的電壓將可以提升兩倍，達(dá)到4伏特。在這其中的一項(xiàng)關(guān)鍵性發(fā)現(xiàn)是，古迪納夫意識(shí)到，電池并不需要保持在充電狀態(tài)下才能生產(chǎn)，而在此之前一直就是這樣做的。相反，它們可以在被制造出來之后再充電。在1980年，他對(duì)外公布了這項(xiàng)全新的，高能量密度的陰極材料。盡管它分量很輕，卻同樣可以制造出性能強(qiáng)勁的電池。這是人類進(jìn)入移動(dòng)時(shí)代的關(guān)鍵一步。
日本公司迫切渴望輕質(zhì)電池用于新型電子產(chǎn)品供電
然而，在西方，隨著石油價(jià)格下探，對(duì)于尋找替代能源，以及開發(fā)不使用石油的電動(dòng)車的投資熱情開始出現(xiàn)下降。但是在日本，情況就完全不同。電子公司拼了命想要得到一種輕質(zhì)，且可反復(fù)充電的電池，用于為他們的便攜式攝像機(jī)，無線電話機(jī)和計(jì)算機(jī)供電。其中一個(gè)看到了這種巨大需求的人，便是日本旭化成株式會(huì)社的吉野彰。正如他自己所言的那樣：“這就像嗅出趨勢(shì)的大方向。你可以說，我這方面的嗅覺比較靈敏。”
吉野彰開發(fā)了第一個(gè)可商用鋰離子電池
當(dāng)吉野彰決定開發(fā)一種功能性可充電電池時(shí)，他選擇了古迪納夫的鈷酸鋰作為陰極，并嘗試使用各種碳基材料作為陽(yáng)極。此前研究人員已經(jīng)證明，鋰離子可以插入到石墨的分子層中，但是石墨會(huì)被電池的電解液分解。當(dāng)吉野彰嘗試使用石油焦（石油工業(yè)的副產(chǎn)品）時(shí)，他終于找到了靈感。他用電子給石油焦充電，發(fā)現(xiàn)鋰離子被吸進(jìn)了材料中。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，而鈷酸鋰的電勢(shì)要高得多。
吉野彰開發(fā)的電池具有工作穩(wěn)定、重量輕、容量大的優(yōu)點(diǎn)，能產(chǎn)生4伏的電壓。鋰離子電池最大的優(yōu)點(diǎn)是離子能嵌入到電極上。其他大多數(shù)電池都是基于化學(xué)反應(yīng)，而在化學(xué)反應(yīng)中，電極會(huì)緩慢而穩(wěn)定地改變。當(dāng)鋰離子電池充電或放電時(shí)，離子在電極之間流動(dòng)，不與周圍環(huán)境發(fā)生反應(yīng)。這意味著電池的壽命更長(zhǎng)，在充電數(shù)百次后性能才會(huì)下降。
另外一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)在于，電池中不含有純的鋰。在1986年，當(dāng)吉野彰在對(duì)電池的安全性進(jìn)行測(cè)試時(shí)，他非常小心謹(jǐn)慎，甚至將檢測(cè)工作放在一間專門用于爆炸物檢驗(yàn)的房間內(nèi)進(jìn)行。他向電池投擲一大塊鐵，但是什么也沒有發(fā)生。然而，當(dāng)使用含有純鋰的電池進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)時(shí)，電池發(fā)生了劇烈爆炸。通過安全性測(cè)試對(duì)于這款電池的未來前景極為關(guān)鍵。正如吉野彰所言的那樣：這一刻，標(biāo)志著鋰電池正式誕生了。
鋰離子電池——在無需化石燃料的社會(huì)中不可或缺
1991年，一家大型日本企業(yè)率先開始銷售鋰離子電池，在電子業(yè)引發(fā)了一場(chǎng)革命。手機(jī)體積得以縮小，電腦開始走向便攜，MP3音樂播放器和平板電腦也逐漸問世。
在此之后，全世界的研究人員順著元素周期表展開了依次搜索，試圖研制出性能更優(yōu)良的電池，但沒有一種電池能在電池容量和電壓上打敗鋰離子電池。不過，鋰離子電池近年來也一直在革新和改進(jìn)。例如，古迪納夫?qū)⑵渲械难趸挀Q成了磷酸鐵，使電池變得更加環(huán)保。
就像幾乎所有人類生產(chǎn)活動(dòng)一樣，鋰離子電池的生產(chǎn)也對(duì)環(huán)境造成了一定影響，但也為環(huán)境帶來了巨大的益處。有了鋰離子電池，研究人員得以發(fā)明更清潔的能源技術(shù)和電動(dòng)汽車，從而有力減少了溫室氣體和顆粒物的排放。
古迪納夫、斯坦利·威廷漢和吉野彰通過他們的研究工作，為一個(gè)無線、無需化石燃料的新型社會(huì)創(chuàng)造了適當(dāng)條件，極大地造福了全人類。
