就在剛才

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

這里面特別值得一提的是，約翰·班尼斯特·古迪納夫（John B. Goodenough），也就是我們標題里面所說(shuō)的「足夠好」老爺子，今年已經(jīng) 97歲高齡了。在此之前，這個(gè)記錄由 90 歲高齡獲得 2007 年諾貝爾經(jīng)濟學(xué)獎的里奧尼德·赫維克茲保持。

新浪科技訊 北京時(shí)間10月9日消息，瑞典皇家科學(xué)院今天宣布，將2019年諾貝爾化學(xué)獎授予德州大學(xué)奧斯汀分校教授John B. Goodenough，紐約州立大學(xué)賓漢姆頓分校教授M. Stanley Whittingham，以及日本名城大學(xué)教授吉野彰，以表彰他們“在發(fā)明鋰電池過(guò)程中做出的貢獻”。

他們創(chuàng )造了一個(gè)可充電的世界

2019年度諾貝爾化學(xué)獎獎勵鋰電池的發(fā)明。這種輕巧，可充電且性能強勁的電池今天早已進(jìn)入尋常百姓家，被每一部手機，筆記本和其他電子設備所使用。它還能用于存儲太陽(yáng)能和風(fēng)能，從而讓構建一個(gè)零化石燃料使用的社會(huì )成為可能。

鋰電池被全球范圍被被廣泛用于為便攜式電子設備提供電力，方面我們通訊，工作，開(kāi)展研究，聽(tīng)音樂(lè )，或者檢索知識。鋰電池的發(fā)明還讓可以長(cháng)距離行駛的電動(dòng)汽車(chē)研發(fā)成為可能，同時(shí)它也被廣泛用于可再生能源，如太陽(yáng)能和風(fēng)能的存儲。

鋰離子電池已經(jīng)徹底改變了我們的生活，并被用于從手機到筆記本電腦和電動(dòng)汽車(chē)的所有領(lǐng)域。通過(guò)他們的工作，今年的化學(xué)獲獎?wù)叩於藷o(wú)線(xiàn)、無(wú)化石燃料社會(huì )的基礎。

鋰電池的研發(fā)基礎在1970年代的石油危機期間被構建起來(lái)。當時(shí)，Stanley Whittingham正致力于研制一種可以擺脫石油燃料的能源技術(shù)。他開(kāi)始對超導體材料進(jìn)行研究，并很快發(fā)現了一種極端富能的材料，利用這種材料，他將這種材料創(chuàng )造性的用于制作鋰電池的陰極。這是使用二硫化鈦制作的，在分子層面上，其內部空隙可以容納鋰離子。

電池的正極部分由金屬鋰制成。鋰有很強的釋放電子的驅動(dòng)力。這就形成了一個(gè)具有巨大電勢的電池，剛剛超過(guò)2伏特。然而，金屬鋰是活性的，電池爆炸的風(fēng)險太大，在商業(yè)上并不可行。

John Goodenough預測，如果用一種金屬氧化物而不是金屬硫化物來(lái)制造陰極，那么電池將具有更大的電勢。經(jīng)過(guò)系統的研究，在1980年，他證明了嵌入鋰離子的氧化鈷可以產(chǎn)生高達4伏特的電壓。這是一個(gè)重要的突破，將帶來(lái)更強大的電池。

20世紀70年代初，斯坦利·惠廷漢姆（Stanley Whittingham，今年的化學(xué)獎得主）開(kāi)發(fā)出第一塊可工作的鋰電池時(shí)，他利用鋰的巨大動(dòng)力釋放其外部電子。

以Goodenough的陰極為基礎，吉野彰在1985年發(fā)明了第一個(gè)商業(yè)上可行的鋰離子電池。他沒(méi)有在陽(yáng)極使用活性鋰，而是使用石油焦，這是一種碳材料，像陰極的鈷氧化物一樣，可以插入鋰離子。

于是，研究者獲得了一種重量輕且耐用的電池，在性能衰竭之前可以充電數百次。鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)是，它們不是基于分解電極的化學(xué)反應，而是基于鋰離子在正極和負極之間來(lái)回流動(dòng)。

自1991年首次投入市場(chǎng)以來(lái)，鋰離子電池已經(jīng)徹底改變了我們的生活。它們?yōu)闊o(wú)線(xiàn)通訊和建立無(wú)化石燃料社會(huì )奠定了基礎，為人類(lèi)帶來(lái)了巨大的利益。

此前，美國化學(xué)會(huì )周刊《化學(xué)化工新聞》（C&EN）做出了相當準確的預測。當時(shí)該期刊表示，今年的化學(xué)獎很有可能會(huì )在電池研究、基因編輯技術(shù)、金屬有機框架材料研究等改變人類(lèi)世界生活的三大領(lǐng)域中產(chǎn)生，并猜測今年的獲獎?wù)呖赡軙?huì )是97歲高齡的“鋰電池之父”、美國德州大學(xué)奧斯汀分校（University of Texas at Austin）機械工程系教授古迪納夫（John B。 Goodenough）。

鋰電池已經(jīng)深入到我們日常生活的方方面面，這個(gè)領(lǐng)域能獲獎也是眾望所歸。今天我們就來(lái)給大家簡(jiǎn)單聊聊鋰電池里面的歷史。

人類(lèi)社會(huì )的發(fā)展離不開(kāi)能源，幾次工業(yè)革命的發(fā)展都依賴(lài)于儲能技術(shù)的發(fā)展。今天，鋰離子電池為全世界提供著(zhù)電力，從智能手機到電動(dòng)汽車(chē)，鋰離子電池已經(jīng)無(wú)處不在，它為日益機動(dòng)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(cháng)、工作溫度范圍寬和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，成為了各國科學(xué)家努力研究的重要方向。

不同的電池技術(shù)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。在電池內部，帶電的原子，也被稱(chēng)為離子，沿著(zhù)兩個(gè)電極之間的路徑運動(dòng)，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(dòng)來(lái)工作。在充電過(guò)程中，鋰離子從正極材料中脫出，經(jīng)過(guò)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(guò)程中，鋰離子和電子的運動(dòng)方向則與充電過(guò)程相反。在當前最常見(jiàn)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(xué)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(cháng)期沒(méi)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(jìn)口的過(guò)度依耐性，開(kāi)始大力發(fā)展太陽(yáng)能和風(fēng)能。但由于太陽(yáng)能和風(fēng)能的間歇性特點(diǎn)，最終還是需要可充電電池來(lái)儲存這些可再生的清潔能源。

此時(shí)，賓漢姆頓大學(xué)化學(xué)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(gè)新型鋰電池。

鋰離子電池是由鋰電池發(fā)展而來(lái)，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現在鋰離子電池已經(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(guān)鍵所在，有五位杰出的科學(xué)家在此方面做出了重要的開(kāi)創(chuàng )性貢獻，特別是美國奧斯汀得克薩斯大學(xué)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(shí)建造了鋰離子電池的神經(jīng)系統，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(gè)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(lǐng)域聲名卓著(zhù)，是名副其實(shí)的“鋰離子電池之父”。

今年，已經(jīng) 96 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(lái)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(shí)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(xué)的旭化成（Akira Yoshino）教授制備出了第一個(gè)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(gè)電池成功應用到索尼公司最早期移動(dòng)電話(huà)中，并在1991年開(kāi)始商業(yè)化生產(chǎn)，標志著(zhù)鋰離子電池時(shí)代的到來(lái)。在這隨后的每天里，世界各地的科學(xué)家們都在測試和開(kāi)發(fā)更為高效和安全的鋰離子電池。

參考文獻

[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.

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