——记2019年诺贝尔化学奖
　　
□　杨艳艳
　　
　　
　　瑞典皇家科学院10月9日宣布，将2019年诺贝尔化学奖授予美国得克萨斯大学奥斯汀分校机械工程和材料科学教授约翰·古迪纳夫（John B.Goodenough），美国纽约州立大学宾汉姆顿分校化学和材料科学与工程教授斯坦利·惠廷厄姆（M.Stanley Whittingham）和日本名城大学教授吉野彰（Akira Yoshino），以奖励他们“在发明锂电池过程中做出的贡献”。
　　此次诺贝尔化学奖花落锂离子电池可谓众望所归。早前美国化学会周刊《化学化工新闻》（C＆EN）曾做出预测，今年的化学奖很有可能会在电池研究、基因编辑技术、金属有机框架材料研究等改变人类世界生活的三大领域中产生，并猜测今年的获奖者可能会是97岁高龄的“锂电池之父”教授古迪纳夫。
　　锂电池作为当今世界不可或缺的便携式能量源，其重要性不言而喻，诺贝尔奖官方声明写道：“他们为一个无线、无化石燃料社会创造了适当的条件，从而为人类带来了最大的利益。”如果没有上述3位科学家发明的锂电池，就没有现在便捷的智能手机、笔记本电脑、电动汽车，更不会有今天火热的移动互联网。如今看似平常的锂电池，从研发基础的构建到完全实现商业化，其诞生之路是曲折而漫长的。
　　
天然的能量载体
　　锂电池主要由阴极、阳极、电解液、隔膜、外电路等部分组成，因锂离子在阴阳极之间移动而产生电流。因此电池阴阳极材料的选择对于能效和安全性至关重要。目前最普遍的可充电锂电池，通常使用钴酸锂材料为阴极，碳材料为阳极。而说到锂电池，就要从“锂”元素开始。1817年，瑞典化学家Johan August Arfwedson和Jns Jacob Berzelius首次将锂从一个瑞典小岛的矿石样本中提取出来。当时Berzelius以希腊语中的“石头、石子”命名了它，“锂”是目前已知的最轻的固体元素。
　　不过当时被发现的锂并不是纯的金属锂，而是锂盐。因为纯锂的化学性质十分活泼，在一定条件下，能与除稀有气体外的大部分非金属反应，因此必须储存在石油中。纯锂的提取并不容易，直到1821年，William Thomas Brande使用化学家Humphry Davy发明的电解法来电解氧化锂才获得了微量的锂。时隔34年，德国化学家Robert Bunsen和英国化学家Augustus Matthiessen通过电解氯化锂获得了大量的锂。1923年，德国Metallgesellschaft AG公司开始了锂的商业化生产。
　　毋庸置疑，好的能量载体需要能以尽可能小的体积和重量去存储和搬运更多的能量。而锂的特性为其成为能量载体提供了可能：锂原子相对质量小，得失电子能力强，电子转移比例高。换句话说，选择锂元素来做电池，是基于地球当前的所有元素中，我们能够找到的相对优解。
　　
锂电池的前生今世
　　锂电池是怎么诞生的呢？这要从20世纪60年代说起。当时，电池并不是什么新鲜玩意儿。人们早就知道电池需要有两个电极，即阴极和阳极，且电极之间需要有电解质能够让离子移动。当电池放电时，带正电的离子会从阳极跑到阴极从而产生电流。可想而知，两个电极与电解质的材料决定了电池的性能。想要改进电池性能，科学家们就需要尝试各种不同的材料。面对这样一件枯燥的事，很少有人愿意投身其中。
　　社会需求正是科技发展的动力。1966年，福特公司彻底改变了这一现状。当推出了著名的T型车后，福特公司决定投资电力驱动的汽车。为了提供车辆行驶的能源，福特公司推出了一种新型的硫化钠电池——硫做阴极钠做阳极，较最初电动汽车所使用的铅酸电池而言，新电池质量轻而且能量密度高。乍看起来不错，但汽车电池的工作温度可高达至300℃，而钠在98℃就会融化，遇见空气就着火，安全显然很成问题。尽管如此，福特声称硫化钠电池汽车可以跑200英里，充电只需要一个小时。福特公司的豪言虽然没有真正兑现，但这却在当时激起了一股研究电池的热潮。“一瞬间，所有的事情都改变了，电池不再是枯燥乏味的领域”，古迪纳夫教授回忆说。
　　这股对电池的狂热一直持续到了20世纪70年代：在石油危机的影响下，人们越发相信，电力驱动才是未来，锂电池的雏形就是在那时产生的。
　　1968年，27岁的英国人惠廷厄姆博士毕业后来到美国，从此再未离开。惠廷厄姆先在斯坦福大学做了3年的固态电化学博士后研究员。期间，他发现锂离子可以在层状材料二硫化钛可逆地嵌入析出。与早期的锂电池不同，惠廷厄姆指明了除“锂转化”之外的另一个技术路径“锂嵌入”，通俗地讲，即以特殊的层状材料作为宿主，锂离子作为客人可以较为随意地嵌入或脱出，基本不影响宿主的物质结构。锂嵌入大大提高了充放电反应的可逆性，也避免使用锂金属作为负极，从而提高了安全性。从“锂转化”到“锂嵌入”，是锂电池的技术革命，惠廷厄姆也因此贡献而被称为“锂电之父”。这一发现在当时引起了很大的反响。1972年，惠廷厄姆被埃克森公司（Exxon）招致麾下，开始了锂电池研究的职业生涯。
　　作为当时全世界最大的石油巨头，埃克森公司判断，石油资源将在不远的将来枯竭，必须早做打算。为此，埃克森公司为实验室的研究人员提供他们所需要的一切。1976年，在经历了极为保密的研究之后，惠廷厄姆和他的团队终于制成了世界上第一块可充电的锂离子电池，并获得专利。他们创造性地采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，通过锂离子在电池正、负极之间穿梭往来形成电流。
　　这是一个极大的进步，锂电池轻巧且高能，移动电子初现曙光。但这种电池极不实用，不仅原材料价格昂贵（硫化钛当时售价每公斤1000美元），还存在很大的安全隐患，埃克森公司最终放弃了这个项目。
　　无限风光在险峰，既然问题出在电极的材料上，或许替换电极就能解决问题。1980年，古迪纳夫团队做出突破。他们发现锂的金属氧化物或许能成为锂电池的电极。一方面，它依然能释放锂离子；另一方面，它更为稳定，且没有安全隐患。在当年的Materials Research Bulletin杂志上，他的团队表明钴酸锂能成为锂电池的阴极材料。时至今日，我们依旧在使用这种材料制造锂电池。
　　而电池另一极的研发则发生在大洋彼岸的日本。同样是在1980年，一些科学家指出，石墨或许能成为锂电池的阳极材料。然而电池中的一些可溶分子会插入到石墨的碳结构中，造成破坏。当时吉野彰因找不到合适的阴极材料而苦恼，直到他读到古迪纳夫的论文，才兴奋地说，“他的发现给了我所需要的一切”。之后吉野彰与其同事则使用聚乙炔作为阳极材料，并一举取得成功。1985年，吉野彰利用钴酸锂和聚乙炔制造出了第一块现代锂电池。1991年，古迪纳夫与吉野彰两人合作发明的锂离子电池终于由SONY首次推向市场实现商业化，它轻巧耐用、安全可靠，在性能下降前可充放电数百次。这标志着一个崭新的时代到来了。
　　然而在锂电池开发后不久，销售情况并不理想。吉野彰曾在一次采访中表示，在开发后的头3年，锂电池完全卖不出去，那时他常感到身心沉重、备受折磨。同时吉野彰还发现，电动汽车所使用的电池要具备耐用性，不仅要有良好的续航能力，能够行驶更长的距离，还要经得起频繁启动。
　　此外，锂电池自身的缺陷也为其的广泛推广设置了障碍。钴酸锂虽然储能性能好，安全性也不错，但仍不是一个十全十美的材料。其一，长时间使用后，钴酸锂的层状结构容易崩塌，崩塌的层之间无法再进行锂离子的存储，造成电池整体的性能衰减。其二，钴酸锂实在太贵。钴元素本身就是一种战略资源，产地只有非洲和美洲一些小国，随着锂离子电池的日益兴盛，对钴的需求更是与日俱增，从而极大提高了钴酸锂的成本。
　　困难是阻挡科技进步的深渊，但同时也将促使科技的进一步发展。在新困扰的面前，古迪纳夫及其团队再次带给人们惊喜。1997年，75岁的古迪纳夫及其团队研制出一种叫作磷酸铁锂的新材料。磷酸铁锂（LiFePO4）可简称为LFP，在它的晶体结构中，铁与氧组成FeO6八面体，磷与氧组成PO4四面体，这些八面体与六面体按照一定规则构成骨架，形成Z字形的链状结构，而锂原子则占据空间骨架中所构成的空位中。相较于钴酸锂的层状结构，LFP的空间骨架结构更稳定，锂离子在骨架的通道中也能快速移动。同时，LFP的成分是极其廉价的铁与磷，价格远低于钴。
　　可以说正是磷酸铁锂的出现，催生了“可携带便携电子设备”的诞生。近70年来，有两种材料的出现可以称为超级发明。一个是晶体管的发明，因为没有晶体管就没有电子产品。另一个就是锂电池的发明，因为锂电池的出现，才有了相机、手机、笔记本电脑、电动车等可移动便携电子设备。先有钴酸锂，后又有磷酸铁锂，对于锂电池的诞生，古迪纳夫可以说是居功至伟，其“锂离子电池之父”的称号当之无愧。
　　
科研无止境
　　今年锂离子电池荣获诺贝尔化学奖，对于惠廷厄姆、古迪纳夫和吉野彰来说是莫大的肯定与鼓励。获奖后的吉野彰在日本东京出席新闻发布会时曾说：“像锂电池这种装置类研究，一直都轮不到得奖机会，但如果时机到来的话，绝对可以获奖。没想到竟然真的就得奖了。”
　　科研之路永无止境，如今平均年龄超过80岁的3位诺贝尔化学奖得主仍都坚持工作在锂电池研究的第一线，他们希望能进一步提升锂电池的性能。对于今后的展望，吉野彰认为，锂电池能蓄电是最基本功能，如果普及的话，发电技术就更容易普及。身为研究人员，思考今后要与再生能源做结合，一定要利用新的发电系统才行。而98岁高龄的古迪纳夫则认为，“电动汽车在价格竞争上，仍旧无法与内燃机车抗衡。当太阳能和风力发电时，电力必须被立即使用，否则就会永远消失。这意味着世上还没有一种经济的固定式电池可以存储电能。世界需要一枚超级电池。我就想研究这个。”
　　目前，古迪纳夫在研究中发现，玻璃电解质可以取代常规锂电池中所使用的液体电解质。与常规电池中的液体电解质相似，玻璃电解质也能很好地通导锂离子与钠离子。不仅如此，由于这种固体电解质其导带的能量要高于锂，能量密度可以达到传统锂离子电池的3倍。换句话说，该玻璃电解质固态电池理论上可以在相同大小实现3倍电池容量。据此推算，4000毫安的手机电池可以扩充到12000毫安，续航600公里的电动汽车可以提升到1800公里以上（不计损耗）。虽然该项研究目前还处于起步阶段，但古迪纳夫对这个方向充满了信心。
　　社会需求就是科技进步的动力之源。动力电池、储能电池和3C电池是锂电池的3个主要应用领域。在纯电动乘用车市场，消费者需要高能量电池以满足对续航里程的需求，未来高能量密度NCM811电池的需求量仍会增加；在智能手机领域，手机电池将朝体积小、容量大、重量轻、能量密度高的方向发展……来自各个领域的不同需求，将继续引导新的研究方向。锂电池，未来可期。科
　　
获奖人简介：　　　　
　　约翰·古迪纳夫（John B.Goodenough），1922年7月25日在德国出生，美国得克萨斯州大学奥斯汀分校机械工程系教授、固体物理学家，是钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂正极材料的发明人，锂离子电池的奠基人之一。现年97岁的古迪纳夫也成为获奖时年龄最长的诺贝尔奖得主。
　　斯坦利·惠廷厄姆（M.Stanley Whittingham），纽约州立大学Binghamton分校化学和材料科学与工程教授，锂电池研究先驱。1941年出生，本科、硕士和博士均毕业于牛津大学。加入Binghamton之前，长期在埃克森公司工作，从事电池研发。
　　吉野彰（Akira Yoshino），1948年1月30日出生于日本大阪，毕业于京都大学和大阪大学，现任旭化成研究员、名城大学教授。紫绶褒章表彰。智能手机和电动汽车使用的锂离子电池的开发者、旭化成公司研究员，旭化成株式会社吉野研究室室长，京都大学大学院工学研究专业特命教授。