2019诺贝尔化学奖，锂电池彻底改变了我们的生活

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 2019 年诺贝尔化学奖授予 John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham, Akira Yoshino，以表彰他们在锂电池领域的贡献。

这里面特别值得一提的是，约翰·班尼斯特·古迪纳夫（John B. Goodenough），也就是我们标题里面所说的「足够好」老爷子，今年已经 97岁高龄了。在此之前，这个记录由 90 岁高龄获得 2007 年诺贝尔经济学奖的里奥尼德·赫维克兹保持。

新浪科技讯 北京时间10月9日消息，瑞典皇家科学院今天宣布，将2019年诺贝尔化学奖授予德州大学奥斯汀分校教授John B. Goodenough，纽约州立大学宾汉姆顿分校教授M. Stanley Whittingham，以及日本名城大学教授吉野彰，以表彰他们“在发明锂电池过程中做出的贡献”。

他们创造了一个可充电的世界

2019年度诺贝尔化学奖奖励锂电池的发明。这种轻巧，可充电且性能强劲的电池今天早已进入寻常百姓家，被每一部手机，笔记本和其他电子设备所使用。它还能用于存储太阳能和风能，从而让构建一个零化石燃料使用的社会成为可能。

锂电池被全球范围被被广泛用于为便携式电子设备提供电力，方面我们通讯，工作，开展研究，听音乐，或者检索知识。锂电池的发明还让可以长距离行驶的电动汽车研发成为可能，同时它也被广泛用于可再生能源，如太阳能和风能的存储。

锂离子电池已经彻底改变了我们的生活，并被用于从手机到笔记本电脑和电动汽车的所有领域。通过他们的工作，今年的化学获奖者奠定了无线、无化石燃料社会的基础。

锂电池的研发基础在1970年代的石油危机期间被构建起来。当时，Stanley Whittingham正致力于研制一种可以摆脱石油燃料的能源技术。他开始对超导体材料进行研究，并很快发现了一种极端富能的材料，利用这种材料，他将这种材料创造性的用于制作锂电池的阴极。这是使用二硫化钛制作的，在分子层面上，其内部空隙可以容纳锂离子。

电池的正极部分由金属锂制成。锂有很强的释放电子的驱动力。这就形成了一个具有巨大电势的电池，刚刚超过2伏特。然而，金属锂是活性的，电池爆炸的风险太大，在商业上并不可行。

John Goodenough预测，如果用一种金属氧化物而不是金属硫化物来制造阴极，那么电池将具有更大的电势。经过系统的研究，在1980年，他证明了嵌入锂离子的氧化钴可以产生高达4伏特的电压。这是一个重要的突破，将带来更强大的电池。

20世纪70年代初，斯坦利·惠廷汉姆（Stanley Whittingham，今年的化学奖得主）开发出第一块可工作的锂电池时，他利用锂的巨大动力释放其外部电子。

以Goodenough的阴极为基础，吉野彰在1985年发明了第一个商业上可行的锂离子电池。他没有在阳极使用活性锂，而是使用石油焦，这是一种碳材料，像阴极的钴氧化物一样，可以插入锂离子。

于是，研究者获得了一种重量轻且耐用的电池，在性能衰竭之前可以充电数百次。锂离子电池的优点是，它们不是基于分解电极的化学反应，而是基于锂离子在正极和负极之间来回流动。

自1991年首次投入市场以来，锂离子电池已经彻底改变了我们的生活。它们为无线通讯和建立无化石燃料社会奠定了基础，为人类带来了巨大的利益。

此前，美国化学会周刊《化学化工新闻》（C&EN）做出了相当准确的预测。当时该期刊表示，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”、美国德州大学奥斯汀分校（University of Texas at Austin）机械工程系教授古迪纳夫（John B。 Goodenough）。

锂电池已经深入到我们日常生活的方方面面，这个领域能获奖也是众望所归。今天我们就来给大家简单聊聊锂电池里面的历史。

人类社会的发展离不开能源，几次工业革命的发展都依赖于储能技术的发展。今天，锂离子电池为全世界提供着电力，从智能手机到电动汽车，锂离子电池已经无处不在，它为日益机动的世界扫平了障碍。与其他商业化的可充放电池相比，锂离子电池由于其具有能量密度高、循环寿命长、工作温度范围宽和安全可靠等优点，成为了各国科学家努力研究的重要方向。

不同的电池技术在体积和重量能量密度方面的对比

锂离子电池是一种二次电池（可充电电池），主要由正极、负极、电解液、隔膜、外电路等部分组成。在电池内部，带电的原子，也被称为离子，沿着两个电极之间的路径运动，并产生电流。锂离子电池主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充电过程中，锂离子从正极材料中脱出，经过电解液传输至负极，电子由负极经外电路转移至正极；而在放电过程中，锂离子和电子的运动方向则与充电过程相反。在当前最常见的一种可反复充放电的锂离子电池中，其正极是钴酸锂材料，负极是碳材料。

正在充电的锂离子电池

1912年，锂金属电池最早由吉尔伯特·牛顿·路易士（Gilbert N. Lewis）提出并研究，但由于锂金属的化学性质非常活泼，使得锂金属的加工、保存和使用对环境要求非常高，使得锂电池长期没有得到应用。

20世纪70年代，美国爆发石油危机，政府意识到对石油进口的过度依耐性，开始大力发展太阳能和风能。但由于太阳能和风能的间歇性特点，最终还是需要可充电电池来储存这些可再生的清洁能源。

此时，宾汉姆顿大学化学教授斯坦利·惠廷厄姆（M. Stanley Whittingham）在纽约起草了锂电池的初始设计方案，采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成了首个新型锂电池。

锂离子电池是由锂电池发展而来，随着科学技术的发展，现在锂离子电池已经成为了主流。

锂离子电池的基本概念，始于1972 年米歇尔·阿曼德（M. Armand）等提出的“摇椅式”电池（rocking chair battery）。在锂离子电池的研究中，正负极材料的研发，是锂离子电池发展的关键所在，有五位杰出的科学家在此方面做出了重要的开创性贡献，特别是美国奥斯汀得克萨斯大学机械工程及电子工程系教授约翰·班尼斯特·古迪纳夫（John B. Goodenough）为现在商业化正极材料的发展做出了卓越的贡献。

他在57岁时建造了锂离子电池的神经系统，钴酸锂（LiCoO2）正极材料是他的智慧结晶。他的这一材料，几乎存在于当前每一款流通的便携式电子设备中。

另一个重要的正极材料磷酸铁锂（LiFePO4）也是他的重要贡献之一。1997年，以他为主的研究群报导了磷酸铁锂可逆地迁入脱出锂的特性。磷酸铁锂是目前最安全的锂离子电池正极材料，不含任何对人体有害的重金属元素。作为钴酸锂和磷酸铁锂等正极材料的发明人，古迪纳夫在锂离子电池领域声名卓著，是名副其实的“锂离子电池之父”。

今年，已经 96 岁高龄的古迪纳夫先生在 Nature Electronics 上刊文，回顾了可充电锂离子电池的发明历史，并对未来发展指明了道路。

商业锂离子电池正负极材料的示意图、主要发明人、发明时间

正极材料的研究成果，最终指引日本名古屋市的旭化成公司（Asahi Kasei）以及名城大学的旭化成（Akira Yoshino）教授制备出了第一个可充电锂离子电池：以钴酸锂作锂源正极材料、石油焦作负极材料、六氟磷酸锂（LiPF6）溶于丙烯碳酸酯（PC）和乙烯碳酸酯（EC）作电解液的可充放二次锂离子电池。

这个电池成功应用到索尼公司最早期移动电话中，并在1991年开始商业化生产，标志着锂离子电池时代的到来。在这随后的每天里，世界各地的科学家们都在测试和开发更为高效和安全的锂离子电池。

参考文献

[1] Armand, M.; Tarascon, J. M., Building better batteries. Nature 2008, 451 (7179), 652-657.

[2] Tarascon, J. M.; Armand, M., Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries. Nature 2001, 414 (6861), 359-367.

[3] Armand, M.; Murphy, D.; Broadhead, J., Materials for Advanced Batteries. 1980.

[4] 李泓, 锂离子电池基础科学问题（XV）——总结和展望. 储能科学与技术 2015, 4 (3), 306-318.

[5] Nishi, Y., The development of lithium ion secondary batteries. The Chemical Record 2001, 1 (5), 406-413.