就在剛才

2019年諾貝爾化學獎授予John B. Goodenough,  M. Stanley Whittingham, Akira Yoshino，以表彰他們在鋰電池領域的貢獻。

圖片來自 @NobelPrize

約翰·班尼斯特·古迪納夫

這里面特別值得一提的是，約翰·班尼斯特·古迪納夫（John B. Goodenough），今年已經(jīng)97歲高齡了。在此之前，這個記錄由90歲高齡獲得2007年諾貝爾經(jīng)濟學獎的里奧尼德·赫維克茲保持。

鋰電池已經(jīng)深入到我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?，這個領域能獲獎也是眾望所歸。今天我們就來給大家簡單聊聊鋰電池里面的歷史。

人類社會的發(fā)展離不開能源，幾次工業(yè)革命的發(fā)展都依賴于儲能技術的發(fā)展。今天，鋰離子電池為全世界提供著電力，從智能手機到電動汽車，鋰離子電池已經(jīng)無處不在，它為日益機動的世界掃平了障礙。與其他商業(yè)化的可充放電池相比，鋰離子電池由于其具有能量密度高、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬和安全可靠等優(yōu)點，成為了各國科學家努力研究的重要方向。

不同的電池技術在體積和重量能量密度方面的對比

鋰離子電池是一種二次電池（可充電電池），主要由正極、負極、電解液、隔膜、外電路等部分組成。在電池內(nèi)部，帶電的原子，也被稱為離子，沿著兩個電極之間的路徑運動，并產(chǎn)生電流。鋰離子電池主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充電過程中，鋰離子從正極材料中脫出，經(jīng)過電解液傳輸至負極，電子由負極經(jīng)外電路轉移至正極；而在放電過程中，鋰離子和電子的運動方向則與充電過程相反。在當前最常見的一種可反復充放電的鋰離子電池中，其正極是鈷酸鋰材料，負極是碳材料。

正在充電的鋰離子電池

1912年，鋰金屬電池最早由吉爾伯特·牛頓·路易士（Gilbert N. Lewis）提出并研究，但由于鋰金屬的化學性質(zhì)非?；顫?，使得鋰金屬的加工、保存和使用對環(huán)境要求非常高，使得鋰電池長期沒有得到應用。

20世紀70年代，美國爆發(fā)石油危機，政府意識到對石油進口的過度依耐性，開始大力發(fā)展太陽能和風能。但由于太陽能和風能的間歇性特點，最終還是需要可充電電池來儲存這些可再生的清潔能源。

此時，賓漢姆頓大學化學教授斯坦利·惠廷厄姆（M. Stanley Whittingham）在紐約起草了鋰電池的初始設計方案，采用硫化鈦作為正極材料，金屬鋰作為負極材料，制成了首個新型鋰電池。

鋰離子電池是由鋰電池發(fā)展而來，隨著科學技術的發(fā)展，現(xiàn)在鋰離子電池已經(jīng)成為了主流。

鋰離子電池的基本概念，始于1972 年米歇爾·阿曼德（M. Armand）等提出的“搖椅式”電池（rocking chair battery）。在鋰離子電池的研究中，正負極材料的研發(fā)，是鋰離子電池發(fā)展的關鍵所在，有五位杰出的科學家在此方面做出了重要的開創(chuàng)性貢獻，特別是美國奧斯汀得克薩斯大學機械工程及電子工程系教授約翰·班尼斯特·古迪納夫（John B. Goodenough）為現(xiàn)在商業(yè)化正極材料的發(fā)展做出了卓越的貢獻。

他在57歲時建造了鋰離子電池的神經(jīng)系統(tǒng)，鈷酸鋰（LiCoO2）正極材料是他的智慧結晶。他的這一材料，幾乎存在于當前每一款流通的便攜式電子設備中。

另一個重要的正極材料磷酸鐵鋰（LiFePO4）也是他的重要貢獻之一。1997年，以他為主的研究群報導了磷酸鐵鋰可逆地遷入脫出鋰的特性。磷酸鐵鋰是目前最安全的鋰離子電池正極材料，不含任何對人體有害的重金屬元素。作為鈷酸鋰和磷酸鐵鋰等正極材料的發(fā)明人，古迪納夫在鋰離子電池領域聲名卓著，是名副其實的“鋰離子電池之父”。

今年，已經(jīng) 97 歲高齡的古迪納夫先生在 Nature Electronics上刊文，回顧了可充電鋰離子電池的發(fā)明歷史，并對未來發(fā)展指明了道路。

商業(yè)鋰離子電池正負極材料的示意圖、主要發(fā)明人、發(fā)明時間

正極材料的研究成果，最終指引日本名古屋市的旭化成公司（Asahi Kasei）以及名城大學的旭化成（Akira Yoshino）教授制備出了第一個可充電鋰離子電池：以鈷酸鋰作鋰源正極材料、石油焦作負極材料、六氟磷酸鋰（LiPF6）溶于丙烯碳酸酯（PC）和乙烯碳酸酯（EC）作電解液的可充放二次鋰離子電池。

這個電池成功應用到索尼公司最早期移動電話中，并在1991年開始商業(yè)化生產(chǎn)，標志著鋰離子電池時代的到來。在這隨后的每天里，世界各地的科學家們都在測試和開發(fā)更為高效和安全的鋰離子電池。

（諾獎小分隊）