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。這三位科學(xué)家分別來自美國、英國以及日本，在他們?nèi)齻€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(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，全球石油危機大爆發(fā)，按當(dāng)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(fēng)能、太陽能作為替代能源，在當(dāng)時得到廣泛研究。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能裝置，把風(fēng)力發(fā)電機或者太陽能電池板所產(chǎn)生的電能儲存起來，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，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(chǎn)生強烈的化學(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)石油危機時，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）有個重大發(fā)現(xiàn)。當(dāng)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(jié)構(gòu)的二硫化鈦(TiS2)中，從而產(chǎn)生電能。且整個過程可逆，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梨诠镜闹亟鹳Y助下，他的團隊迅速投入到商用可充電鋰離子電池的研發(fā)中。這個項目初期很順利，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，然而卻因為一個物理學(xué)現(xiàn)象而存在嚴(yán)重的缺陷。

這個現(xiàn)象表現(xiàn)為，隨著電池的反復(fù)充放電，電池負極開始生成樹枝狀的金屬鋰晶體，學(xué)名為鋰枝晶。鋰枝晶會從電池負極通過電解液向正極生長，從而刺破電池內(nèi)部的隔膜，使正負極短路，導(dǎo)致電池?zé)崾Э?，所以教授的實驗室?jīng)常會發(fā)生鋰離子電池起火事故。并且，隨著電池的多次循環(huán)，其能夠存儲的能量也變得越來越少。面對這兩個棘手問題，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，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缺陷，就是當(dāng)充電時，鋰離子電池會從正極材料中不斷的像負極移動，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)致對電池不可逆的破壞。如今，這個推斷已被業(yè)界證實。

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，能夠在自身層狀化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(dǎo)致埃克森美孚公司損失慘重，使很多美國企業(yè)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(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)時就職于日本的旭化成公司，他在這里負責(zé)研發(fā)鋰離子充電電池。他當(dāng)時已經(jīng)找到了十分優(yōu)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(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(nèi)部，沒有危險的金屬鋰，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(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。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、筆記本電腦、智能手表等個人電子設(shè)備實現(xiàn)小型化，大大提升了實用性。

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極相結(jié)合，為鋰離子電池的商業(yè)化帶來了曙光，并對今后人類的生活產(chǎn)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(dāng)之無愧！