[汽車之家 技術]  2019年10月9日下午，瑞典皇家科學院公布了2019年諾貝爾化學獎得主，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域所做出的巨大貢獻。這三位科學家分別來自美國、英國以及日本，在他們三個的共同努力之下，成功的將鋰離子電池推向市場，促進了如今智能手機、筆記本電腦、電動汽車等行業的快速發展。

◆鋰離子電池的身世 第一章：威廷漢建立理論基礎

　　上世紀70年代，全球石油危機大爆發，按當時美國媒體的說法，石油很快就會耗竭，采用替代能源刻不容緩。風能、太陽能作為替代能源，在當時得到廣泛研究。但這種能源的產生是靠天來決定，導致生產的電能很不穩定，這是向電網供電的一大忌。所以需要一種高能量密度的儲能裝置，把風力發電機或者太陽能電池板所產生的電能儲存起來，再穩定的輸出給電網。在這樣的背景下，研發出可以反復充放電的高性能電池成為當時科學界的一大方向。

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

　　上世紀50年代，曾有將鋰金屬作為負極的電池出現，這種電池在相同規格下，擁有比別的電池更高的容量，只不過它并不支持充放電。當70年代爆發石油危機時，科學家們就開始研究怎樣利用鋰的特性來創造出容量高，且可反復利用的充電電池。

　　上世紀70年代，斯坦福大學的英國教授威廷漢（Stan Whittingham）有個重大發現。當把二硫化鈦與金屬鋰作為電極時，鋰離子可以通過電解液嵌入到層狀結構的二硫化鈦(TiS2)中，從而產生電能。且整個過程可逆，也就是可以反復充放電，這意味著金屬鋰所具備的電化學優勢終于可以在可充放電電池中展現了！

　　教授也是信心滿滿，在能源巨頭�？松�美孚公司的重金資助下，他的團隊迅速投入到商用可充電鋰離子電池的研發中。這個項目初期很順利，研發出來的電池充放電效果符合預期。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角度上講堪稱天衣無縫，然而卻因為一個物理學現象而存在嚴重的缺陷。

　　這個現象表現為，隨著電池的反復充放電，電池負極開始生成樹枝狀的金屬鋰晶體，學名為鋰枝晶。鋰枝晶會從電池負極通過電解液向正極生長，從而刺破電池內部的隔膜，使正負極短路，導致電池熱失控，所以教授的實驗室經常會發生鋰離子電池起火事故。并且，隨著電池的多次循環，其能夠存儲的能量也變得越來越少。面對這兩個棘手問題，最終，他研發的可充電鋰電池以失敗告終，但這一發現為后期研發出更安全的鋰離子電池奠定了理論基礎。

◆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。當時，古迪納夫推斷，威廷漢先生研發出來的硫化鈦正極材料存在一個缺陷，就是當充電時，鋰離子電池會從正極材料中不斷的像負極移動，導致正極材料的內部被掏空，出現層狀結構坍塌，導致對電池不可逆的破壞。如今，這個推斷已被業界證實。

　　他們研究發現，當鈷酸鋰（LiCoO2）以及鎳酸鋰（NiCoO2）作為電池中的正極材料時，能夠在自身層狀化學結構穩定的前提下，向負極輸送近一半的鋰離子，并生成鋰金屬（負極材料），并且整個過程可逆。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，由于威廷漢之前對鋰電池的研究以失敗告終，導致埃克森美孚公司損失慘重，使很多美國企業都對鋰離子電池不抱有希望，以至于古迪納夫的這項研究并不被看好，甚至其所在的牛津大學都不愿意為鈷酸鋰的發現申請專利。

◆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告，啟發了一位名叫吉野彰（Akira Yoshino）的日本化學家。吉野彰先生當時就職于日本的旭化成公司，他在這里負責研發鋰離子充電電池。他當時已經找到了十分優秀的充電電池負極材料——石墨。這種材料具有成本低、高性能、結構穩定的優勢，簡直是鈷酸鋰正極材料的絕配。

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

　　最終，吉野彰先生的團隊通過與索尼公司合作，在1991年發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以及筆記本電腦等電子產品相繼面世。由于鋰離子電池的能量密度高，所以這些電子設備在相同體積下更為耐用，因此在業界引起不小轟動。就此，鋰離子電池商業化之路的大門打開了。

　　至于后來的事情，相信很多人都已經見證，隨著鋰離子電池的發展，能量密度越來越高，助力手機、筆記本電腦、智能手表等個人電子設備實現小型化，大大提升了實用性。

　　至此，我們了解到，威廷漢先生發現了鋰離子可以通過電解液嵌入到正極材料層狀結構的現象，啟發了古迪納夫先生，并使他研究出了穩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極相結合，為鋰離子電池的商業化帶來了曙光，并對今后人類的生活產生了深遠影響。由此看來，三個人的確都可以稱得上鋰離子電池之父，獲得諾貝爾獎也是當之無愧！