诺贝尔化学奖与锂电池

一路上

2019年诺贝尔化学奖授予德克萨斯大学奥斯汀分校的JohnB.Goodenough,纽约州立宾汉姆顿大学的M.Stanley Whittingham和日本名城大学的Akira Yoshino，以表彰他们在锂电池领域的贡献。

97岁高龄的“足够好”老先生，距离他第一次发表锂电池相关结果也已经39年了。这次成功获得Nobel Prize in Chemistry也是实至名归。

“They created a rechargeable world”

其实锂电池早已经深入了我们生活的方方面面。它重量轻、能量密度高，广泛的被应用于各种便携式电子设备供电。它还促进了远程电动汽车的开发以及来自可再生能源（例如太阳能和风能）的能量存储。

图1 锂元素与元素周期表

锂离子电池的理论基础是在1970年代的石油危机期间奠定的。当时，Stanley Whittingham致力于开发替代化石燃料的能源技术的方法。他研究了超导体，并发现了一种能量非常丰富的材料，并将其用于在锂电池的阴极材料。它是由二硫化钛(TiS2)制成的，二硫化钛在分子水平上具有可以容纳（嵌入）锂离子的空间（图2）。

图2 Whittingham的电池

电池的阳极部分由金属锂制成。我们知道，锂具有强烈的释放电子的倾向（图1）。这使得它在应用于电池时能够放电产生很高的电压。然而，也是由于金属锂具有较高的反应活性，电池爆炸的风险较大，无法投入实际的生活所用。

图3 Whiskers电池

后来，John Goodenough预测，如果使用金属氧化物而不是金属硫化物制成阴极，电池可以产生更大的电压。随后，经过漫长而科学的探索和研究，他在1980年证明了嵌入了锂离子的氧化钴可以产生多达4伏的电压。这是一项非常重要的突破，将带来电压更加强大的电池（图4）。

图4 Goodenough电池

吉野彰（Akira Yoshino）在Goodenough所发现的的阴极材料的基础上，于1985年研究出了首个商业上可行的锂离子电池，其工作主要是针对阳极材料的改进。他没有使用反应活性较高的锂，而是使用了石油焦炭（一种碳材料），这种碳材料像阴极的氧化钴一样可以嵌入锂离子中（图5）。吉野彰的发现为锂电池的商用作出了重大推动。这种新的阳极材料制得的电池具有重量轻，坚固耐用的特点，循环充电上百次才有显著的性能下降。

图5 Akira Yoshino电池

锂离子电池的优点在于，它们不是基于电极的化学反应，而是基于锂离子在阳极和阴极之间来回流动而充放电。自从1991年首次进入市场以来，锂离子电池彻底改变了我们的生活，奠定了便携式能源社会的基础，极大的促进了社会发展。

“足够好”老先生已达97岁高龄，距离他第一次发表锂电池相关成功也已经39年了。这次成功获得Nobel Prize in Chemistry也是实至名归。这或许是不是也给我们一个启示？要得诺奖，不仅要能够有推动社会进步的重大研究成果，还要活得足够久……

再次恭喜三位先生，感谢他们做出的贡献！

参考资料
锂电池内阻估算方法
锂离子电池设计流程
全面介绍锂离子电池（上）原理
全面介绍锂离子电池（中）配方
全面介绍锂离子电池（下）工艺流程