[汽車之家 技術(shù)]  2019年10月9日下午，瑞典皇家科學(xué)院公布了2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主，他們分別是約翰·B·古迪納夫（John B.Goodenough）、M·斯坦利·威廷漢（M.Stanley Whittingham）和吉野彰（Akira Yoshino），以表彰他們?cè)阡囯x子電池領(lǐng)域所做出的巨大貢獻(xiàn)。這三位科學(xué)家分別來自美國(guó)、英國(guó)以及日本，在他們?nèi)齻�(gè)的共同努力之下，成功的將鋰離子電池推向市場(chǎng)，促進(jìn)了如今智能手機(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)汽車等行業(yè)的快速發(fā)展。

◆鋰離子電池的身世 第一章：威廷漢建立理論基礎(chǔ)

　　上世紀(jì)70年代，全球石油危機(jī)大爆發(fā)，按當(dāng)時(shí)美國(guó)媒體的說法，石油很快就會(huì)耗竭，采用替代能源刻不容緩。風(fēng)能、太陽(yáng)能作為替代能源，在當(dāng)時(shí)得到廣泛研究。但這種能源的產(chǎn)生是靠天來決定，導(dǎo)致生產(chǎn)的電能很不穩(wěn)定，這是向電網(wǎng)供電的一大忌。所以需要一種高能量密度的儲(chǔ)能裝置，把風(fēng)力發(fā)電機(jī)或者太陽(yáng)能電池板所產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存起來，再穩(wěn)定的輸出給電網(wǎng)。在這樣的背景下，研發(fā)出可以反復(fù)充放電的高性能電池成為當(dāng)時(shí)科學(xué)界的一大方向。

　　鋰金屬是元素周期表中直徑最小的金屬，在單位體積內(nèi)它的密度可以做到很大，因此當(dāng)它成為電池中的電極材料時(shí)，能夠帶來更高的能量密度。但由于它也是最活潑的金屬，遇到氧氣便會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，釋放熱量，甚至爆炸，所以想要駕馭它非常難。

　　上世紀(jì)50年代，曾有將鋰金屬作為負(fù)極的電池出現(xiàn)，這種電池在相同規(guī)格下，擁有比別的電池更高的容量，只不過它并不支持充放電。當(dāng)70年代爆發(fā)石油危機(jī)時(shí)，科學(xué)家們就開始研究怎樣利用鋰的特性來創(chuàng)造出容量高，且可反復(fù)利用的充電電池。

　　上世紀(jì)70年代，斯坦福大學(xué)的英國(guó)教授威廷漢（Stan Whittingham）有個(gè)重大發(fā)現(xiàn)。當(dāng)把二硫化鈦與金屬鋰作為電極時(shí)，鋰離子可以通過電解液嵌入到層狀結(jié)構(gòu)的二硫化鈦(TiS2)中，從而產(chǎn)生電能。且整個(gè)過程可逆，也就是可以反復(fù)充放電，這意味著金屬鋰所具備的電化學(xué)優(yōu)勢(shì)終于可以在可充放電電池中展現(xiàn)了！

　　教授也是信心滿滿，在能源巨頭�？松�美孚公司的重金資助下，他的團(tuán)隊(duì)迅速投入到商用可充電鋰離子電池的研發(fā)中。這個(gè)項(xiàng)目初期很順利，研發(fā)出來的電池充放電效果符合預(yù)期。但噩夢(mèng)也很快降臨到威廷漢頭上，他怎么也沒想到，眼前的鋰離子電池從化學(xué)角度上講堪稱天衣無縫，然而卻因?yàn)橐粋�(gè)物理學(xué)現(xiàn)象而存在嚴(yán)重的缺陷。

　　這個(gè)現(xiàn)象表現(xiàn)為，隨著電池的反復(fù)充放電，電池負(fù)極開始生成樹枝狀的金屬鋰晶體，學(xué)名為鋰枝晶。鋰枝晶會(huì)從電池負(fù)極通過電解液向正極生長(zhǎng)，從而刺破電池內(nèi)部的隔膜，使正負(fù)極短路，導(dǎo)致電池?zé)崾Э兀�所以教授的�?shí)驗(yàn)室經(jīng)常會(huì)發(fā)生鋰離子電池起火事故。并且，隨著電池的多次循環(huán)，其能夠存儲(chǔ)的能量也變得越來越少。面對(duì)這兩個(gè)棘手問題，最終，他研發(fā)的可充電鋰電池以失敗告終，但這一發(fā)現(xiàn)為后期研發(fā)出更安全的鋰離子電池奠定了理論基礎(chǔ)。

◆鋰離子電池的身世 第二章：古迪納夫找到出色的正極材料

　　雖然最早做出商用鋰離子電池的也并非電化學(xué)傳奇人物古迪納夫（John B. Goodenough），但如果沒有他，恐怕鋰離子電池的商用還得晚上幾年甚至幾十年。當(dāng)時(shí)，古迪納夫推斷，威廷漢先生研發(fā)出來的硫化鈦正極材料存在一個(gè)缺陷，就是當(dāng)充電時(shí)，鋰離子電池會(huì)從正極材料中不斷的像負(fù)極移動(dòng)，導(dǎo)致正極材料的內(nèi)部被掏空，出現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)坍塌，導(dǎo)致對(duì)電池不可逆的破壞。如今，這個(gè)推斷已被業(yè)界證實(shí)。

　　他們研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鈷酸鋰（LiCoO2）以及鎳酸鋰（NiCoO2）作為電池中的正極材料時(shí)，能夠在自身層狀化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，向負(fù)極輸送近一半的鋰離子，并生成鋰金屬（負(fù)極材料），并且整個(gè)過程可逆。這意味著古迪納夫所研制的鋰電池正極材料，只要能夠配合合適的負(fù)極材料，就能夠制造出大容量、長(zhǎng)壽命的鋰離子充電電池。

　　 然而，由于威廷漢之前對(duì)鋰電池的研究以失敗告終，導(dǎo)致�？松�美孚公司損失慘重，使很多美國(guó)企業(yè)都對(duì)鋰離子電池不抱有希望，以至于古迪納夫的這項(xiàng)研究并不被看好，甚至其所在的牛津大學(xué)都不愿意為鈷酸鋰的發(fā)現(xiàn)申請(qǐng)專利。

◆鋰離子電池的身世 第三章：吉野彰打造出第一塊鋰離子電池

　　直到后來，古迪納夫的這份研究報(bào)告，啟發(fā)了一位名叫吉野彰（Akira Yoshino）的日本化學(xué)家。吉野彰先生當(dāng)時(shí)就職于日本的旭化成公司，他在這里負(fù)責(zé)研發(fā)鋰離子充電電池。他當(dāng)時(shí)已經(jīng)找到了十分優(yōu)秀的充電電池負(fù)極材料——石墨。這種材料具有成本低、高性能、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，簡(jiǎn)直是鈷酸鋰正極材料的絕配。

　　當(dāng)看到古迪納夫的研究報(bào)告之后，吉野彰先生順利的利用鈷酸鋰正極材料以及石墨負(fù)極材料制造出了世界上第一塊鋰離子電池。這塊電池內(nèi)部，沒有危險(xiǎn)的金屬鋰，所有的鋰全是以離子態(tài)的方式存在，這便使得它相比以往采用鋰金屬作為負(fù)極的鋰電池更為安全，鋰離子電池也因此得名。

　　最終，吉野彰先生的團(tuán)隊(duì)通過與索尼公司合作，在1991年發(fā)布了世界上首款搭載鋰離子電池的“大哥大”。隨后由鋰電池供電的微型攝像機(jī)以及筆記本電腦等電子產(chǎn)品相繼面世。由于鋰離子電池的能量密度高，所以這些電子設(shè)備在相同體積下更為耐用，因此在業(yè)界引起不小轟動(dòng)。就此，鋰離子電池商業(yè)化之路的大門打開了。

　　至于后來的事情，相信很多人都已經(jīng)見證，隨著鋰離子電池的發(fā)展，能量密度越來越高，助力手機(jī)、筆記本電腦、智能手表等個(gè)人電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)小型化，大大提升了實(shí)用性。

　　至此，我們了解到，威廷漢先生發(fā)現(xiàn)了鋰離子可以通過電解液嵌入到正極材料層狀結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象，啟發(fā)了古迪納夫先生，并使他研究出了穩(wěn)定而高效的鈷酸鋰正極材料。而吉野彰先生又利用鈷酸鋰正極材料與石墨負(fù)極相結(jié)合，為鋰離子電池的商業(yè)化帶來了曙光，并對(duì)今后人類的生活產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。由此看來，三個(gè)人的確都可以稱得上鋰離子電池之父，獲得諾貝爾獎(jiǎng)也是當(dāng)之無愧！

◆消費(fèi)電子產(chǎn)品上的鋰離子電池與動(dòng)力鋰離子電池有什么區(qū)別？

　　鋰離子電池自誕生以來一直在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中大行其道，而近幾年它在電動(dòng)車領(lǐng)域得到極大的發(fā)展，讓無碳出行成為可能。那么二者又有什么區(qū)別呢？

　　一般在手機(jī)、智能手表等消費(fèi)類電子設(shè)備上，通常會(huì)選用像鈷酸鋰這種具有較大能量密度的鋰離子電池。雖然這種電池可能會(huì)帶來一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，但由于它們體積小且與人形影不離，使用環(huán)境總體來講不那么苛刻，所以風(fēng)險(xiǎn)總體可控。

　　相比之下，電動(dòng)車上的動(dòng)力鋰電池能量密度通常沒有消費(fèi)類電子產(chǎn)品上的電池那么高，為的就是降低安全風(fēng)險(xiǎn)。畢竟一輛電動(dòng)車上的動(dòng)力電池包由成百上千塊電芯組成，如果增加某一個(gè)電芯出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的概率，那么整體電池組出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的概率就會(huì)大大增加。這也是為什么電動(dòng)車企會(huì)為動(dòng)力電池包設(shè)計(jì)遠(yuǎn)比數(shù)碼電子產(chǎn)品更為復(fù)雜的電池主/被動(dòng)散熱系統(tǒng)，以及精密的電池控制系統(tǒng)。

　　此外，更高能量密度的鋰離子電池通常壽命更短，而消費(fèi)類電子產(chǎn)品的生命周期大都在2年左右，要比電動(dòng)車的壽命低的多。所以高能量密度電池更能夠滿足消費(fèi)類電子產(chǎn)品的使用需求，但并不太適合電動(dòng)車。

◆吉野彰對(duì)于電動(dòng)車發(fā)展的看法

　　吉野彰先生曾經(jīng)在接受媒體對(duì)話的時(shí)候預(yù)測(cè)，電動(dòng)汽車在2025年左右將會(huì)占據(jù)新車銷量的15%，但限制電動(dòng)車發(fā)展的關(guān)鍵可能在于動(dòng)力電池能否被回收。如果人類能夠從回收的動(dòng)力電池中重新獲取到生產(chǎn)動(dòng)力電池的原材料，那么這個(gè)難題便會(huì)迎刃而解，電動(dòng)車行業(yè)也將得到更加長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展。

◆古迪納夫是何許人也？

　　當(dāng)看到這里，或許大家已經(jīng)清楚鋰離子電池誕生的來龍去脈。不過您或許還有一個(gè)疑問，那就是在三位發(fā)明者中，有一個(gè)人最近總是被頻繁曝光。明明最終獲獎(jiǎng)的是三個(gè)人，為什么大家卻頻頻把目光投向這一個(gè)人身上呢？那么接下來，請(qǐng)聽我給您詳細(xì)介紹一下這個(gè)人。

　　但即便年近百歲，他目前依然奮斗在鋰離子電池研發(fā)的崗位上，這是古迪納夫先生精神層面上光輝的一面。不過，他在電化學(xué)方面所做出的成就更為奪目。在電化學(xué)屆只要一提起古迪納夫先生，幾乎是無人不知、無人不曉。

　　 在上文我們只提到他發(fā)明出了鈷酸鋰以及鎳酸鋰正極材料，并促成了鋰離子電池的商業(yè)化。不過這只是他在鋰離子電池領(lǐng)域貢獻(xiàn)的一小部分，或者說是一個(gè)開始。隨后，他繼續(xù)投身于鋰離子電池領(lǐng)域的研究。

　　最早投入使用的鈷酸鋰電池其實(shí)并不完美，它有兩個(gè)主要問題：一個(gè)是在多次充放電后，鈷酸鋰正極材料的層狀結(jié)構(gòu)也會(huì)出現(xiàn)不可逆的塌陷，雖然只有一小部分，但已經(jīng)足以讓使用者感受到電池壽命的降低，這也是為什么數(shù)碼產(chǎn)品的電池使用壽命普遍較短；另一個(gè)問題就是鈷金屬材料在世界的儲(chǔ)量很少，再加上鋰離子電池的廣泛應(yīng)用，極大地抬高了這種材料的采購(gòu)成本。

　　面對(duì)這兩個(gè)問題，古迪納夫團(tuán)隊(duì)很早就開始研究鈷酸鋰的替代材料。這種材料的層狀結(jié)構(gòu)要足夠穩(wěn)定，使電池的使用壽命大大增強(qiáng)，另外它也要擁有更低的成本，那么究竟有沒有這樣的材料呢？

　　1997年，當(dāng)古迪納夫75歲那年，他的團(tuán)隊(duì)再次給了世界一個(gè)驚喜。他們研發(fā)出了一種名叫磷酸鐵鋰（LiFePO4）的正極材料，這種材料相比鈷酸鋰材料擁有更結(jié)實(shí)的晶體結(jié)構(gòu)，并可以使鋰離子在內(nèi)部暢快的流動(dòng)。這意味著這種電池性能更好、壽命更長(zhǎng)而且更安全。并且它的主要構(gòu)成元素是我們生活中隨處可見的鐵和磷，所以生產(chǎn)成本要比鈷酸鋰低得多。

　　 但磷酸鐵鋰材料的發(fā)展并不順風(fēng)順?biāo)�，全球多家電池企業(yè)因?yàn)闋?zhēng)奪這項(xiàng)專利而對(duì)鋪公堂。而且這種材料同樣不完美，它有一個(gè)最大的問題就是能量密度相對(duì)較低，所以目前在電動(dòng)車領(lǐng)域?qū)�續(xù)航有較高要求的乘用車很少采用這種電池材料了，它們更多被用在了對(duì)安全性要求更高的大巴車上。但無疑，這仍然是一項(xiàng)對(duì)鋰電池行業(yè)發(fā)展起到推進(jìn)作用的偉大發(fā)明。

　　憑借著研發(fā)出鈷酸鋰以及磷酸鐵鋰電池材料，鋰離子電池得以走進(jìn)千家萬戶，改變了一代人的生活方式。然而，就是這么一個(gè)為人類做出了如此突出貢獻(xiàn)的人，在他97歲之前卻始終未獲得過一次諾貝爾獎(jiǎng)，這讓很多人為他心有不甘，覺得世界欠古迪納夫一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。

　　然而，古迪納夫先生知道自己并非為榮譽(yù)而活，他更在乎的似乎還是鋰離子電池未來的發(fā)展。所以，在近幾年中，他開始研究一個(gè)新的課題，那就是解決鋰離子電池的安全問題，并繼續(xù)降低其制造成本。在他看來解決這個(gè)問題的辦法，就是通過一種名為全固態(tài)電池的新型鋰離子電池。

　　相信很多人都聽說過固態(tài)電池，但或許并不了解它是什么，究竟有什么用。其實(shí)固態(tài)電池相比傳統(tǒng)的鋰離子電池最本質(zhì)的區(qū)別是，電池中的電解質(zhì)從液體變成了固體。我們知道傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)非常危險(xiǎn)，是鋰離子電池著火的主要元兇。當(dāng)把它們換成成本更低的固態(tài)電解質(zhì)后，其危險(xiǎn)性將大大降低，我們或許將不會(huì)再為手機(jī)、電動(dòng)車起火而擔(dān)憂了。

　　據(jù)古迪納夫先生介紹，在2015年，他的團(tuán)隊(duì)就發(fā)現(xiàn)了一種名叫NASICON（鈉超離子導(dǎo)體）的固態(tài)電解質(zhì)。這種材料能夠達(dá)到與液態(tài)電解質(zhì)近乎一樣的性能，并可以為鋰離子電池帶來更多的電池循環(huán)次數(shù)以及更優(yōu)的安全性。在先生看來，未來配備了全固態(tài)電池的電動(dòng)車將有能力與由化石燃料提供動(dòng)力的內(nèi)燃機(jī)車展開更激烈的競(jìng)爭(zhēng)。

◆尾聲：

　　曾經(jīng)流傳一種說法，雖然鋰離子電池不是古迪納夫一個(gè)人發(fā)明的，但是他成就了鋰離子電池今天的輝煌。如今摘得諾貝爾金牌的他，97歲高齡還依然奮戰(zhàn)在新一代鋰離子電池研發(fā)的前沿陣地上，這樣敬業(yè)的精神值得我們欽佩，同樣也值得我們感激。（圖/文 汽車之家 胡永彬）