涨知识｜2019年诺贝尔化学奖“主角”锂电池的前世今生
很少看到一中元素在学术舞台上扮演核心角色，但2019年诺贝尔化学奖的主角却是一个起源于宇宙大爆炸的古老化学元素——锂。
10月9日，瑞典皇家科学院宣布将2019年诺贝尔化学奖授予约翰⋅古迪纳夫（John B. Goodenough），斯坦利⋅威廷汉（M. Stanley Whittingham）和吉野彰（Akira Yoshino），以表彰他们在锂离子电池领域的贡献。
锂电池的故事要从锂元素被发现讲起
1817年，瑞典化学家化学Johan August Arfwedson和Jöns Jacob Berzelius首次将锂从一个瑞典小岛的矿石样本中提取出来。当时，Berzelius以希腊语中的“石头、石子”命名了它。
虽然这个名字听起来很重，但其实，锂是最轻的固体元素——这或许就是为什么，我们有时候不会注意到随身携带的手机。
更准确的来说，瑞典化学家实际上并没有发现纯的金属锂，而是以盐的形式发现锂离子。纯锂是一种非常不稳定的元素，必须储存在石油中，防止它与空气发生反应。
锂的弱点是它的反应性，但这恰恰也是它的优势。
20世纪70年代初，Stanley Whittingham开发第一个功能性锂电池时，他利用锂的巨大驱动力来释放外层电子。
1980年，John Goodenough将电池的潜力翻了一番，为更强大、更有用的电池创造了合适的条件。
1985，Akira Yoshino成功地从电池中消除纯锂。他采用锂离子作为材料，比纯锂更安全。
这一尝试时的电池进行了人们的实际生活。锂离子电池给人类带来了诸多好处，它使笔记本电脑、手机、电动汽车的发展以及太阳能和风能发电的储存成为了可能。
Stanley Whittingham将锂带入了电池
20世纪中叶，全球汽车保有量上升，汽车尾气进一步加剧了大城市的空气污染。于此同时，人们日益认识到石油资源有限的，这使汽车制造商和石油公司拉响了警报。为了生存，他们打算投资电动汽车和替代能源。
不过，电动汽车和替代能源都需要能够存储大量能量的强大电池。当时，市场上只有两种类型的可充电电池——重铅电池和镍镉电池。
是Stanley Whittingham把金属锂带入了电池，也是它成为了这个故事的主角。他将锂作为新电池的负极。
锂不是一个随机选择； 在电池中，电子应从负极（阳极）流向正极（阴极）。 因此，负极应包含一种易于释放电子的材料，而在所有元素中，锂是最容易释放电子的材料。
Stanley Whittingham的实验创造出了在室温下工作的可充电锂电池，并且具有巨大潜力。 之后，他前往纽约埃克森美孚总部，在大约十五分钟的会议之后，埃克森美孚管理团队决定：将利用Whittingham的发现开发出一种商业上可行的电池。
第一批可充电电池的电极中有固体材料，与电解质发生化学反应时会损坏电池。
石油危机激发Goodenough对电池的兴趣
John Goodenough幼年时在阅读方面有很大的障碍，他因而被数学和物理学所吸引。与1970年代的很多人一样，Goodenough感受到了石油危机的影响，希望为替代能源发展做出贡献，并因此进入了能源研究领域。
Goodenough了解到Stanley Whittingham的革命性电池，但他对物质内部的专门知识告诉他，如果用金属氧化物替代金属硫化物制造电池的正极，电池的潜力会更大。
他的研究小组开始寻找一种金属氧化物，要求是当它嵌入锂离子时能产生高压，但当锂离子被移除时，它不会崩溃。
这项系统性的研究比Stanley Whittingham所预期的要成功得多。Goodenough用钴酸锂作为电池正极材料，所制成的电池功率几乎达到4伏。
1980年，他发表论文介绍了这种新型正极材料，它的重量很轻，却能生产出功能强大的高容量电池。
Goodenough开始在锂电池的正极中使用钴酸锂。 这使电池的潜力翻倍，并使其功能更强大。
吉野彰制造首款商业上可行的锂离子电池
吉野彰最初在Goodenough的基础上，用钴酸锂作为电池的正极，并尝试使用各种碳基材料作为负极。后来，他在负极中使用石油工业的副产品——石油焦。结果显示，他以此开发出的电池更为稳定，而且重量轻、容量大，能明显产生4伏电压。
这类电池的工作原理不基于任何有害的化学反应，而是依靠锂离子在电极之间来回流动，使用寿命很长，在性能下降之前可以充电数百次。另一个很大的优势是。这类电池中没有使用纯锂，保障了安全性。
吉野彰开发了第一个商业上可行的锂离子电池。
1991年，日本一家大型电子公司开始销售第一批锂离子电池，这引发了一场电子革命。此后，手机变得越来越小，电脑变得更加便携，MP3播放器和平板电脑也得到了发展。
近年来，世界各地的研究人员都在寻找更好的电池，但还没有人成功地发明出超过锂离子电池的高容量、高电压的电池。
与此同时，锂离子电池也得到了改进，例如John Goodenough用磷酸铁取代了钴酸锂，使电池更加环保。
锂电池得以大规模商用，离不开这三位诺贝尔化学奖得主的贡献
本届诺贝尔化学奖获奖者
钛媒体注： 10月9日，2019年诺贝尔化学奖发布，美科学家约翰·古迪纳夫、斯坦利·惠廷汉姆和日本科学家吉野彰，因在锂离子电池研发领域作出的贡献而获奖。
其中，美国得州大学奥斯汀分校的古迪纳夫教授被誉为“锂电池之父”，是钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂正极材料的发明人，现年97岁，也成为了诺贝尔奖史上年龄最大的获奖者。
3位科学家研发的锂电池，开启了电子设备的便携化进程。自从1991年锂电池首次进入市场以来，它就不断变革着全球消费者的生活。锂电池可以储存大量太阳能和风能等清洁能源，使无化石燃料社会成为可能。
追溯全球范围内锂电池领域取得的成果，可谓充满了传奇色彩。
在锂电池发明之前，不得不提的是1859年法国人普兰特发明的经典铅酸蓄电池，如今依然被广泛使用。然而，铅酸蓄电池的弊病在于密度太低——鉴于汽车特殊的运用场景，电池的质量与体积之比过小会影响电池的利用率，或是牺牲汽车后备箱的空间，因此铅酸蓄电池无法作为电动车的能源使用，与此类似的还包括镍镉电池、镍氢电池。
经过元素周期表的排除法研究，可以发现锂元素的储量比较高；于是，锂电池的研究开始成为全球许多国家的课题。
首先要提及的锂电池领域的奠基人，是英国化学家惠廷汉姆。他在锂电池领域所做出的杰出贡献，是避开了早期 “锂转化”(Conversion)所造成的化学键断裂与重组给物质带来的结构变化（熟悉的例子是不同结构的碳：金刚石、石墨、C60等性能不同），运用另外一个技术路径：锂嵌入(Intercalation)来实现。
早期锂电池可用上述反应表示，产生的“锂枝晶”易导致电动车自燃
通俗易懂地讲：以特殊的层状材料作为宿主(hosts)，锂离子(Li+)作为客人(guests)可以较为随意地嵌入（Intercalation）或脱出，基本不影响宿主的物质结构。
斯坦利·惠廷汉姆采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成了世界上首个新型锂离子电池。
此后，被称为锂电池之父的美国化学家古迪纳夫披荆斩棘，以一己之力发现了大部分当下运用于生产生活的锂电池的正极材料，他的科学生涯更是传奇的一生。
年轻时，古迪纳夫在美国耶鲁大学就读的专业是文学和数学，化学只是其大一的一门选修课，不过他在自然科学领域有着过人的天赋与不懈的追求。1943年，古迪纳夫在耶鲁大学获得了数学系学士学位之后，打算开始攻读物理学；不料二战爆发，古迪纳夫在战时服役，战争结束后，他继续攻读物理学，并被教授们认为“超龄而难以在该领域内取得成就”。
然而，古迪纳夫并未就此气馁，在取得固态物理博士学位后，1952至1976年间，他在林肯实验室工作，并研究能原材料的相关工作。
在美国受阿拉伯国家石油禁运之际，能源问题的突出使年过半百的古迪纳夫决定投身于锂电池研究。继惠廷汉姆发明了可充电却在放电过程中易爆炸的锂电池后，经过反复实验计算，古迪纳夫发现了比先前的硫化钛更适合做锂电子电池阴极材料——层状结构的钴酸锂。
与此同时，第三位今年的诺贝尔化学奖获得者——现年71岁的日本吉野彰就此登场。彼时，也在尽力攻克锂离子电池难题的吉野彰已经找到了适合的阳极材料，一直为阴极材料所困，直到他读到了古迪纳夫的论文。
吉野彰回忆，古迪纳夫的发现给了其所需要的一切，钴酸锂能把现有的锂镉电池的重量缩减三分之一。 在此基础之上，吉野彰设计的锂离子电池以碳基材料为阳极，以钴酸锂为阴极，完全去除电池中的金属锂，提高了安全性；此后，吉野彰又对锂离子电池进行了多次技术改良，例如采用铝箔做集流体，用聚乙烯薄膜做离子隔膜等。
1991年，两人合作发明的锂离子电池被索尼公司推向市场，标志着锂离子电池的大规模使用。
与此同时，原本板砖一样体积的“大哥大”不复存在，取而代之的是以锂电池为电源的轻薄手机；目前国内外电动汽车的蓬勃发展，无外乎也源于锂电池的运用。
锂电池大规模商用后，古迪纳夫等科学家从未停止过对能原材料的研究。1996年，古迪纳夫和另一位科学家Padhi发现了具有橄榄石结构的磷酸盐，如磷酸铁锂(LiFePO4)，比传统的正极材料更具安全性、耐高温，锂电子材料又进一步得到了发展。
纵览电池发展的历史，可以看出当前世界电池工业发展的三个特点：一是绿色环保：包括锂离子蓄电池、氢镍电池等；二是一次电池向蓄电池转化，符合可持续发展战略；三是电池进一步向小、轻、薄方向发展。
在商品化的可充电池中，锂离子电池的比能量最高，特别是聚合物锂离子电池，可以实现可充电池的薄形化。正因为锂离子电池的体积比能量和质量比能量高，可充且无污染，具备当前电池工业发展的三大特点，因此在发达国家中有较快的增长。
电信、信息市场的发展，尤其是移动电话和笔记本电脑的规模化生产，更给锂离子电池带来了市场机遇。不过，锂电池的“技术革命”依然在路上，主要包括三个方敏依然有待革新：电池能量密度、功率密度和安全系数。
97岁的古迪纳夫曾在中国学生黄云辉50岁生日的时候给学生送上祝福“Yunhui, 50 years is only the beginning. Happy Birthday”，这也正符合他自己知天命年纪才开始投身于能原材料研究并不懈钻研的精神。
古迪纳夫自己也表示还将工作5年，102岁退休。能源材料的科研前辈们老骥伏枥、后辈们人才济济，未来，新型电子还会不断革新人类的生活。
（钛媒体编辑陶淘综合自腾讯新闻、知乎、新浪新闻）
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