[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），以表彰他們在鋰離子電池領(lǐng)域所做出的巨大貢獻(xiàn)。這三位科學(xué)家分別來自美國、英國以及日本，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，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，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)致埃克森美孚公司損失慘重，使很多美國企業(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，簡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！