三位科学家获得诺奖但你真了解锂电池么

2019年诺贝尔化学奖，颁布了三位“为锂电池作出巨大奉献”的科学家，分别是约翰·B·古迪纳夫（John B.Goodenough）、M·斯坦利·威廷汉（M. Stanley Whittingham）和吉野彰（Akira Yoshino）。

三位并非是一起作业研讨，而是作为锂电池奠基者、锂电池改造者和锂电池优化者在遍地独自进行研讨。现在日子中所不行或缺的种种电子产品都离不开他们的劳绩，无论是手机、电脑、相机仍是电动轿车，都是根据锂电池技能的老练才得到快速的开展。

电池简史

要想了解他们的奉献，得先了解一下电池开展路程。

电池的基本原理便是用“活性较高”的金属资料制造阳极（即负极-），而用较为安稳的资料制造阴极（即正极+），阳极资料因为库仑力的原因丢掉电子（复原反响），流向阴极使其取得电子（氧化反响），而电池内部（电解液）则发作阴极的阴离子流向阳极与阳离子结合，由此构成回路，发作电能。

也正是因为这种活动本质上是化学反响，所以遵从能量守恒定律。假如对外部用电器（手机、相机等耗电物品）做功了，也就意味着反响发作的能量被用电器“吸收”了，到达相对的平衡。假如没有用电器，可是回路接通，就意味着能量无处可用，将会变成热能，且速度十分快，因为电子移动的速度与光速相同，也便是为什么电池发作短路时会剧烈发热乃至焚烧爆破。

一旦电池内部化学能量消耗结束，则电池就没用了。所以可充电的电池，便是可以通过外部通电将内部的化学反响“复原”（归位），也就需求挑选特别的资料和规划，可以“完美”康复原样，使得电池从头取得化学能量。

（伏特堆电池，图来自Visual Capitalist）

1799年，意大利物理学家Alessandro Volta创造晰第一款电池（Vlotaic Pile 伏特堆），他运用锌片（阳极）和铜片（阴极）以及浸湿盐水的纸片（电解液）制成了电池，以证明晰电是可以人为制造出来的。

（丹尼尔电池，图来自Visual Capitalist）

大约40年后，以为英国化学家John Frederic Daniell通过改换电池方式，处理了伏特堆放电时发作的氢气气泡问题（因为发作化学反响发作了氢气，然后导致电池内部接触不良），此刻电池可以到达1V电压。

（铅酸电池，图来自Visual Capitalist）

1850年，法国物理学家Gaston Planté创造晰铅酸电池（阳极为铅、阴极为铅氧化物、硫酸溶液为电解质），运用铅不仅仅做到了极低的本钱，还可以供给12V的电压，且可以充电循环运用。这类电池被广泛运用，车载蓄电池、前期电动车等都选用这类电池，截止2014年，全球约售出了4470万块铅酸电池。

（镍镉电池，图来自Visual Capitalist）

1899年，瑞典人Waldemar Jungner创造晰镍镉电池（镍为阴极、镉为阳极，选用液体电解液），也便是小时分常常会用到的随身听、四驱车所用的充电电池，为现代电子科技打下了根底。不过这类电池有个巨大的缺陷，也便是老一辈人常常会告知你充电池有必要用完才干充电的原因，因为其化学特性的原因，假如未用完电量就充电，会发作“镉中毒”现象，导致电池“回忆”了“最低电量”，导致下次充溢电量缩小，所以逐步就被商场筛选了。

（碱性电池，图来自Visual Capitalist）

1950之后，加拿大工程师Lewis Urry创造晰现在十分常见的碱性电池（锌为阳极、镁氧化物为阴极，氢氧化钾为电解液，也便是碱性电池姓名来历），便是平常日子中常用的一次性电池，绝大多数都是不行充电的，当然也有特别规划的碱性电池可以充电，乃至还可以通过按压电池外表显现其时电量。全球售出超越100亿颗。

（镍氢电池，图来自Visual Capitalist）

1989年，第一款商业镍氢电池面世（阳极为金属氢化物或储氢合金、阴极为氢氧化镍），耗时超越20年研制，由戴姆勒-奔跑和德国群众资助。通过新的配方，镍氢电池相较于镍镉电池进步了能量密度，而且污染削减。更重要的一点，镍氢电池没有“回忆效应”，所以不用像镍镉电池相同忧虑运用问题。除了许多被运用于数码产品之外，还被前期的丰田Prius混动车所选用。

（锂离子电池，图来自Visual Capitalist）

1991年，索尼公司推出了第一款商业锂离子电池（阳极为石墨，阴极为锂化合物，电极液为锂盐溶于有机溶剂），因为锂电池的高能量密度和配方不同可以习惯不同运用环境的特色，被现在广泛运用。

（左边纵向为电流、右侧为单位功率、横向为能量密度）

上述多种电池历经200年前史才走到锂电池阶段，其意图便是为了更为简便、细巧、能量更高，期间许多人为此付出了巨大的尽力。

诺贝尔化学奖

锂元素是由Johan August Arfwedson于1817年发现的。锂的特性决议了它十分适合做高能量密度、高电压的电池。

可是因为锂活性过于高，所以遇到水或许空气都或许发作剧烈反响以至于焚烧和爆破，怎么“征服”它成为了电池开展的要害。此外，锂作为阳极时无可厚非的了，可是怎么寻觅一种适协作阴极的资料成为了研讨着正向追逐的方针。

（锂遇到水发作剧烈反响）

1970年代爆发过一次石油危机，M·斯坦利·威廷汉（M. Stanley Whittingham）决议致力于研制新的动力科技脱节石油的捆绑。

M·斯坦利·威廷汉（M. Stanley Whittingham）

一开端他专心于研讨超级导体，可是偶尔发现了一种包含巨大能量的物质，可以作为锂电池的阴极。

通过多年的试验和研讨，M·斯坦利·威廷汉终究选用用硫化钛锂（LixTiS2）作为锂电池的阴极资料，金属锂作为阳极资料，制成了一款锂电池。其电压可到达2.5V，而且在几乎不丢失电量状况下循环1100次。可是，因为阳极资料中含有金属锂，而它活性太高，该电池十分不安稳，容易发作焚烧或爆破状况。

（锂枝晶现象）

那时，“大哥大”运用的便是这种电池，持有该技能的加拿大公司Moli Energy，将产品面世不到半年，就因为起火爆破问题而全球召回，从此一蹶不振，后来被日本NEC公司收买。但NEC公司通过几年的检测和探索，总算弄清楚了出现问题的主要原因，在运用进程，阳极资料金属里会发作“锂枝晶”现象，使得阳极资料变形导致或许碰到阴极资料引起短路。尽管找到了原因，但却迟迟不得处理办法。

所以这款电池在商用研制的道路上，遇到了巨大妨碍。

出现问题后，科学家们想起了1938年Rüdorff提出的理论，“离子搬运电池”办法（ion transfer cell configuration）。所以决议选用一种资料可以代替金属锂作为阳极资料——石墨，阳极资料的意图就开释电子，而石墨的特性可以使电子贮存在碳元素之间，尽管石墨相较于金属锂活性（贮存电子才能）差一些，可是愈加安全。

根据此开展，约翰·B·古迪纳夫（John B.Goodenough）也在研讨阴极资料的改进，他猜测氧化锂化合物比硫化锂化合物要更为适宜。

约翰·B·古迪纳夫（John B.Goodenough）

在通过一系列的试验研讨后，1980年，古迪纳夫想外界展现了钴酸锂（LixCoO2）作为阴极的锂电池。

因为选用了石墨作为阳极，这款电池部分处理了“锂枝晶”现象，避免了内部短路现象，又因为其阴极资料的选取，将电压进步至4V（乃至可以到达5V），整体来说相较于威廷汉的锂电池功能好许多、安全许多。

因为该思路过于前卫，又或许是Moli Energy的经验太过于沉痛，其时没有任何一家企业敢接古迪纳夫的创造，乃至自己的母校牛津大学都不愿意为其申请专利。但索尼公司伸出了橄榄枝，将其技能使用于出产，协助索尼一跃成为锂电池职业老迈。

可是有一位科学家以为这还不行，日本的吉野彰（Akira Yoshino）以古迪纳夫的锂电池为根底，将阳极资料从石墨改为了石油焦。

吉野彰（Akira Yoshino）

尽管同为碳元素组成，可是以此到达了轻量化和耐久性。这款电池可以充放电几百次也不失掉功能。

其实从古迪纳夫开端，这两种锂电池现已不是化学反响发作的电能，而是“单纯”的阴阳极之间的电子活动发作的，而这种能量朴实来自于外界充入的“过量”电子，存贮于南北极之间，用于做功，所以其实这两款并不叫锂电池，而是锂离子电池（Lithium-ion）。

锂电池的未来

从1991年锂电池面世以来，现现已历了许多的改变，但基本上都是根据上述三位的研讨成果而来。从小处看，锂电池为便利日子、丰厚日子供给了或许，从长远看，未来运用可继续动力，例如风电、水电、太阳能是趋势，锂电池作为储能设备，可以将这些动力保存起来，并在需求时分运用，使得发电设备“去中心化”。

此外，跟着轿车逐步开端“电动化”，锂电池成为了轿车职业的“宠儿”。

车载锂离子电池其运用特性与电子产品不同，例如手机电脑，其锂离子电池规划之时考虑的便是“快速充电满意日常运用，长期功能不用过度考量”。但电动轿车要求的是“屡次循环功能不方便、电量大、充电快”，其条件更为严苛，在这其间其重要性是按顺序排列的，循环耐久性是最重要、电量大和充电快差不多是一个量级。

所以关于电动轿车而言，其锂离子电池的要求之高，使得各家厂商不断再测验新资料或许新配方，以习惯商场需求。

现在较多选用的计划无非两种，NCA811（镍钴铝锂电池，数字代表份额）和NCM811（镍钴锰锂电池），不过因为专利原因和其他要素，NCA只要特斯拉在选用，而NCM则是绝大多数厂商选用的计划。两者各有利弊，NCA能量密度更高，可是NCM则更为安全。

未来跟着电动轿车的益发遍及，锂电池技能或许将会成为各大车企“从头洗牌”的要害部分。而伴跟着全球可继续开展的趋势，锂电池的重要性也或许比肩于石油。

在诺贝尔奖颁布后的委员会成员采访中，记者问道：“假如让你30秒来描绘锂电池技能得奖的原因，你会怎么说？”

答复中有一句话让笔者形象深入是：“锂电池很或许会对未来的开展带来巨大的影响，其技能落地和使用为人们带来了福音，但尽管技能与使用结合对人类来说更有意义，但也正是这些科学家孜孜不倦的研讨才为这些带来了或许，古迪纳夫是诺贝尔奖取得者中最年长的一位，97岁，但他每天依旧进入研讨所研讨电池技能……”

1997年，一方面因为钴酸锂结构在长期时分后会发作“坍塌”，形成功能下降，另一方面钴矿石十分贵重，导致其本钱太高。75岁的古迪纳夫又创造出了“磷酸铁锂”资料的锂电池，震动了国际，此刻他75岁。而当古迪纳夫90岁之时，他又做出了另一个决议，研讨全固态电池技能……

古迪纳夫曾说过一句话：“咱们有些人就像是乌龟，走得慢，一路挣扎，到了而立之年还找不到出路。但乌龟知道，他有必要走下去。”

或许这些获奖者的精力才是更为宝贵的财富吧。