2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，授予了三位“為鋰電池作出巨大貢獻(xiàn)”的科學(xué)家，分別是約翰·B·古迪納夫（John B.Goodenough）、M·斯坦利·威廷漢（M. Stanley Whittingham）和吉野彰（Akira Yoshino）。

三位并非是共同工作研究，而是作為鋰電池奠基者、鋰電池改造者和鋰電池優(yōu)化者在各處單獨(dú)進(jìn)行鉆研。目前生活中所不可或缺的種種電子產(chǎn)品都離不開他們的功勞，無論是手機(jī)、電腦、相機(jī)還是電動(dòng)汽車，都是基于鋰電池技術(shù)的成熟才得到快速的發(fā)展。

電池簡(jiǎn)史

要想了解他們的貢獻(xiàn)，得先了解一下電池發(fā)展里程。

電池的基本原理即是用“活性較高”的金屬材料制作陽極（即負(fù)極-），而用較為穩(wěn)定的材料制作陰極（即正極+），陽極材料由于庫侖力的原因丟失電子（還原反應(yīng)），流向陰極使其獲得電子（氧化反應(yīng)），而電池內(nèi)部（電解液）則發(fā)生陰極的陰離子流向陽極與陽離子結(jié)合，由此形成回路，產(chǎn)生電能。

也正是因?yàn)檫@種流動(dòng)本質(zhì)上是化學(xué)反應(yīng)，所以遵循能量守恒定律。如果對(duì)外部用電器（手機(jī)、相機(jī)等耗電物品）做功了，也就意味著反應(yīng)產(chǎn)生的能量被用電器“吸收”了，達(dá)到相對(duì)的平衡。如果沒有用電器，但是回路接通，就意味著能量無處可用，將會(huì)變成熱能，且速度非?？?，因?yàn)殡娮右苿?dòng)的速度與光速相同，也就是為什么電池發(fā)生短路時(shí)會(huì)劇烈發(fā)熱甚至燃燒爆炸。

一旦電池內(nèi)部化學(xué)能量消耗完畢，則電池就沒用了。所以可充電的電池，即是能夠通過外部通電將內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)“還原”（歸位），也就需要選擇特別的材料和設(shè)計(jì)，能夠“完美”恢復(fù)原樣，使得電池重新獲得化學(xué)能量。

（伏特堆電池，圖來自Visual Capitalist）

1799年，意大利物理學(xué)家Alessandro Volta發(fā)明了第一款電池（Vlotaic Pile 伏特堆），他利用鋅片（陽極）和銅片（陰極）以及浸濕鹽水的紙片（電解液）制成了電池，以證明了電是可以人為制造出來的。

（丹尼爾電池，圖來自Visual Capitalist）

大約40年后，以為英國化學(xué)家John Frederic Daniell通過變換電池形式，解決了伏特堆放電時(shí)產(chǎn)生的氫氣氣泡問題（由于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生了氫氣，從而導(dǎo)致電池內(nèi)部接觸不良），此時(shí)電池可以達(dá)到1V電壓。

（鉛酸電池，圖來自Visual Capitalist）

1850年，法國物理學(xué)家Gaston Planté發(fā)明了鉛酸電池（陽極為鉛、陰極為鉛氧化物、硫酸溶液為電解質(zhì)），利用鉛不僅僅做到了極低的成本，還能夠提供12V的電壓，且能夠充電循環(huán)使用。這類電池被廣泛使用，車載蓄電池、早期電動(dòng)車等都采用這類電池，截止2014年，全球約售出了4470萬塊鉛酸電池。

（鎳鎘電池，圖來自Visual Capitalist）

1899年，瑞典人Waldemar Jungner發(fā)明了鎳鎘電池（鎳為陰極、鎘為陽極，采用液體電解液），也就是小時(shí)候經(jīng)常會(huì)用到的隨身聽、四驅(qū)車所用的充電電池，為現(xiàn)代電子科技打下了基礎(chǔ)。不過這類電池有個(gè)巨大的缺點(diǎn)，也就是老一輩人經(jīng)常會(huì)告訴你充電池必須用完才能充電的原因，由于其化學(xué)特性的原因，如果未用完電量就充電，會(huì)發(fā)生“鎘中毒”現(xiàn)象，導(dǎo)致電池“記憶”了“最低電量”，導(dǎo)致下次充滿電量縮小，所以漸漸就被市場(chǎng)淘汰了。

（堿性電池，圖來自Visual Capitalist）

1950之后，加拿大工程師Lewis Urry發(fā)明了現(xiàn)在非常常見的堿性電池（鋅為陽極、鎂氧化物為陰極，氫氧化鉀為電解液，也就是堿性電池名字來源），就是平時(shí)生活中常用的一次性電池，絕大多數(shù)都是不可充電的，當(dāng)然也有特殊設(shè)計(jì)的堿性電池能夠充電，甚至還能夠通過按壓電池表面顯示當(dāng)前電量。全球售出超過100億顆。

（鎳氫電池，圖來自Visual Capitalist）

1989年，第一款商業(yè)鎳氫電池問世（陽極為金屬氫化物或儲(chǔ)氫合金、陰極為氫氧化鎳），耗時(shí)超過20年研發(fā)，由戴姆勒-奔馳和德國大眾贊助。通過新的配方，鎳氫電池相較于鎳鎘電池提高了能量密度，并且污染減少。更重要的一點(diǎn)，鎳氫電池沒有“記憶效應(yīng)”，所以不必像鎳鎘電池一樣擔(dān)心使用問題。除了大量被使用于數(shù)碼產(chǎn)品之外，還被早期的豐田Prius混動(dòng)車所采用。

（鋰離子電池，圖來自Visual Capitalist）

1991年，索尼公司推出了第一款商業(yè)鋰離子電池（陽極為石墨，陰極為鋰化合物，電極液為鋰鹽溶于有機(jī)溶劑），由于鋰電池的高能量密度和配方不同能夠適應(yīng)不同使用環(huán)境的特點(diǎn)，被現(xiàn)在廣泛使用。

（左側(cè)縱向?yàn)殡娏鳌⒂覀?cè)為單位功率、橫向?yàn)槟芰棵芏龋?/p>

上述多種電池歷經(jīng)200年歷史才走到鋰電池階段，其目的就是為了更為輕便、小巧、能量更高，期間很多人為此付出了巨大的努力。

諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)

鋰元素是由Johan August Arfwedson于1817年發(fā)現(xiàn)的。鋰的特性決定了它非常適合做高能量密度、高電壓的電池。

但是由于鋰活性過于高，所以遇到水或者空氣都可能發(fā)生劇烈反應(yīng)以至于燃燒和爆炸，如何“馴服”它成為了電池發(fā)展的關(guān)鍵。此外，鋰作為陽極是無可厚非的了，但是如何尋找一種適合作陰極的材料成為了研究者正向追逐的目標(biāo)。

（鋰遇到水發(fā)生劇烈反應(yīng)）

1970年代爆發(fā)過一次石油危機(jī)，M·斯坦利·威廷漢（M. Stanley Whittingham）決定致力于研發(fā)新的能源科技擺脫石油的束縛。

M·斯坦利·威廷漢（M. Stanley Whittingham）

一開始他專注于研究超級(jí)導(dǎo)體，然而偶然發(fā)現(xiàn)了一種蘊(yùn)含巨大能量的物質(zhì)，可以作為鋰電池的陰極。

經(jīng)過多年的實(shí)驗(yàn)和研究，M·斯坦利·威廷漢最終采用用硫化鈦鋰（LixTiS2）作為鋰電池的陰極材料，金屬鋰作為陽極材料，制成了一款鋰電池。其電壓可達(dá)到2.5V，并且在幾乎不損失電量情況下循環(huán)1100次。但是，由于陽極材料中含有金屬鋰，而它活性太高，該電池非常不穩(wěn)定，容易發(fā)生燃燒或爆炸情況。

那時(shí)，“大哥大”使用的就是這種電池，持有該技術(shù)的加拿大公司Moli Energy，將產(chǎn)品問世不到半年，就因?yàn)槠鸹鸨▎栴}而全球召回，從此一蹶不振，后來被日本NEC公司收購。但NEC公司經(jīng)過幾年的檢測(cè)和摸索，終于弄清楚了出現(xiàn)問題的主要原因，在使用過程，陽極材料金屬里會(huì)發(fā)生“鋰枝晶”現(xiàn)象，使得陽極材料變形導(dǎo)致可能碰到陰極材料引起短路。雖然找到了原因，但卻遲遲不得解決辦法。

所以這款電池在商用研發(fā)的道路上，遇到了巨大障礙。

出現(xiàn)問題后，科學(xué)家們想起了1938年Rüdorff提出的理論，“離子轉(zhuǎn)移電池”方法（ion transfer cell configuration）。于是決定采用一種材料可以替代金屬鋰作為陽極材料——石墨，陽極材料的目的就釋放電子，而石墨的特性可以使電子儲(chǔ)存在碳元素之間，雖然石墨相較于金屬鋰活性（儲(chǔ)存電子能力）差一些，但是更加安全。

基于此發(fā)展，約翰·B·古迪納夫（John B.Goodenough）也在研究陰極材料的改善，他預(yù)測(cè)氧化鋰化合物比硫化鋰化合物要更為合適。

約翰·B·古迪納夫（John B.Goodenough）

在經(jīng)過一系列的實(shí)驗(yàn)研究后，1980年，古迪納夫向外界展示了鈷酸鋰（LixCoO2）作為陰極的鋰電池。

由于采用了石墨作為陽極，這款電池部分解決了“鋰枝晶”現(xiàn)象，防止了內(nèi)部短路現(xiàn)象，又因?yàn)槠潢帢O材料的選取，將電壓提高至4V（甚至可以達(dá)到5V），總體來說相較于威廷漢的鋰電池性能好很多、安全很多。

由于該思路過于前衛(wèi)，又或者是Moli Energy的教訓(xùn)太過于慘痛，當(dāng)時(shí)沒有任何一家企業(yè)敢接古迪納夫的發(fā)明，甚至自己的母校牛津大學(xué)都不愿意為其申請(qǐng)專利。但索尼公司伸出了橄欖枝，將其技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)，幫助索尼一躍成為鋰電池行業(yè)老大。

然而有一位科學(xué)家認(rèn)為這還不夠，日本的吉野彰（Akira Yoshino）以古迪納夫的鋰電池為基礎(chǔ)，將陽極材料從石墨改為了石油焦。

吉野彰（Akira Yoshino）

雖然同為碳元素組成，但是以此達(dá)到了輕量化和耐久性。這款電池能夠充放電幾百次也不失去性能。

其實(shí)從古迪納夫開始，這兩種鋰電池已經(jīng)不是化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電能，而是“單純”的陰陽極之間的電子流動(dòng)產(chǎn)生的，而這種能量純粹來自于外界充入的“過量”電子，存貯于兩極之間，用于做功，所以其實(shí)這兩款并不叫鋰電池，而是鋰離子電池（Lithium-ion）。

鋰電池的未來

從1991年鋰電池問世以來，已經(jīng)經(jīng)歷了很多的變化，但基本上都是基于上述三位的研究成果而來。從小處看，鋰電池為方便生活、豐富生活提供了可能，從長遠(yuǎn)看，未來使用可持續(xù)能源，例如風(fēng)電、水電、太陽能是趨勢(shì)，鋰電池作為儲(chǔ)能設(shè)備，能夠?qū)⑦@些能源保存起來，并在需要時(shí)候使用，使得發(fā)電裝置“去中心化”。

此外，隨著汽車逐漸開始“電動(dòng)化”，鋰電池成為了汽車行業(yè)的“寵兒”。

車載鋰離子電池其使用特性與電子產(chǎn)品不同，例如手機(jī)電腦，其鋰離子電池設(shè)計(jì)之時(shí)考慮的就是“快速充電滿足日常使用，長期性能不必過度考量”。但電動(dòng)汽車要求的是“多次循環(huán)性能不便、電量大、充電快”，其條件更為苛刻，在這其中其重要性是按順序排列的，循環(huán)耐久性是最重要、電量大和充電快差不多是一個(gè)量級(jí)。

所以對(duì)于電動(dòng)汽車而言，其鋰離子電池的要求之高，使得各家廠商不斷再嘗試新材料或者新配方，以適應(yīng)市場(chǎng)需求。

目前較多采用的方案無非兩種，NCA811（鎳鈷鋁鋰電池，數(shù)字代表比例）和NCM811（鎳鈷錳鋰電池），不過由于專利原因和其他因素，NCA只有特斯拉在采用，而NCM則是絕大多數(shù)廠商采用的方案。兩者各有利弊，NCA能量密度更高，但是NCM則更為安全。

未來隨著電動(dòng)汽車的愈發(fā)普及，鋰電池技術(shù)或許將會(huì)成為各大車企“重新洗牌”的關(guān)鍵部分。而伴隨著全球可持續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)，鋰電池的重要性也或許比肩于石油。

在諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C發(fā)后的委員會(huì)成員采訪中，記者問道：“如果讓你30秒來描述鋰電池技術(shù)得獎(jiǎng)的原因，你會(huì)怎么說？”

回答中有一句話讓筆者印象深刻是：“鋰電池很可能會(huì)對(duì)未來的發(fā)展帶來巨大的影響，其技術(shù)落地和應(yīng)用為人們帶來了福音，但雖然技術(shù)與應(yīng)用結(jié)合對(duì)人類來說更有意義，但也正是這些科學(xué)家孜孜不倦的研究才為這些帶來了可能，古迪納夫是諾貝爾獎(jiǎng)獲得者中最年長的一位，97歲，但他每天仍舊進(jìn)入研究所鉆研電池技術(shù)……”

1997年，一方面由于鈷酸鋰結(jié)構(gòu)在長時(shí)間時(shí)候后會(huì)發(fā)生“崩塌”，造成性能下降，另一方面鈷礦石非常昂貴，導(dǎo)致其成本太高。75歲的古迪納夫又發(fā)明出了“磷酸鐵鋰”材料的鋰電池，震驚了世界，此時(shí)他75歲。而當(dāng)古迪納夫90歲之時(shí)，他又做出了另一個(gè)決定，研究全固態(tài)電池技術(shù)……

古迪納夫曾說過一句話：“我們有些人就像是烏龜，走得慢，一路掙扎，到了而立之年還找不到出路。但烏龜知道，他必須走下去?！?/p>

或許這些獲獎(jiǎng)?wù)叩木癫攀歉鼮檎滟F的財(cái)富吧。

End