本屆諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)?/p>

鈦媒體注：10月9日，2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)發(fā)布，美科學(xué)家約翰·古迪納夫、斯坦利·惠廷漢姆和日本科學(xué)家吉野彰，因在鋰離子電池研發(fā)領(lǐng)域作出的貢獻(xiàn)而獲獎(jiǎng)。

其中，美國得州大學(xué)奧斯汀分校的古迪納夫教授被譽(yù)為“鋰電池之父”，是鈷酸鋰、錳酸鋰和磷酸鐵鋰正極材料的發(fā)明人，現(xiàn)年97歲，也成為了諾貝爾獎(jiǎng)史上年齡最大的獲獎(jiǎng)?wù)摺?/p>

3位科學(xué)家研發(fā)的鋰電池，開啟了電子設(shè)備的便攜化進(jìn)程。自從1991年鋰電池首次進(jìn)入市場(chǎng)以來，它就不斷變革著全球消費(fèi)者的生活。鋰電池可以儲(chǔ)存大量太陽能和風(fēng)能等清潔能源，使無化石燃料社會(huì)成為可能。

追溯全球范圍內(nèi)鋰電池領(lǐng)域取得的成果，可謂充滿了傳奇色彩。

在鋰電池發(fā)明之前，不得不提的是1859年法國人普蘭特發(fā)明的經(jīng)典鉛酸蓄電池，如今依然被廣泛使用。然而，鉛酸蓄電池的弊病在于密度太低——鑒于汽車特殊的運(yùn)用場(chǎng)景，電池的質(zhì)量與體積之比過小會(huì)影響電池的利用率，或是犧牲汽車后備箱的空間，因此鉛酸蓄電池?zé)o法作為電動(dòng)車的能源使用，與此類似的還包括鎳鎘電池、鎳氫電池。

經(jīng)過元素周期表的排除法研究，可以發(fā)現(xiàn)鋰元素的儲(chǔ)量比較高；于是，鋰電池的研究開始成為全球許多國家的課題。

首先要提及的鋰電池領(lǐng)域的奠基人，是英國化學(xué)家惠廷漢姆。他在鋰電池領(lǐng)域所做出的杰出貢獻(xiàn)，是避開了早期 “鋰轉(zhuǎn)化”(Conversion)所造成的化學(xué)鍵斷裂與重組給物質(zhì)帶來的結(jié)構(gòu)變化（熟悉的例子是不同結(jié)構(gòu)的碳：金剛石、石墨、C60等性能不同），運(yùn)用另外一個(gè)技術(shù)路徑：鋰嵌入(Intercalation)來實(shí)現(xiàn)。

早期鋰電池可用上述反應(yīng)表示，產(chǎn)生的“鋰枝晶”易導(dǎo)致電動(dòng)車自燃

通俗易懂地講：以特殊的層狀材料作為宿主(hosts)，鋰離子(Li+)作為客人(guests)可以較為隨意地嵌入（Intercalation）或脫出，基本不影響宿主的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。

斯坦利·惠廷漢姆采用硫化鈦?zhàn)鳛檎龢O材料，金屬鋰作為負(fù)極材料，制成了世界上首個(gè)新型鋰離子電池。

此后，被稱為鋰電池之父的美國化學(xué)家古迪納夫披荊斬棘，以一己之力發(fā)現(xiàn)了大部分當(dāng)下運(yùn)用于生產(chǎn)生活的鋰電池的正極材料，他的科學(xué)生涯更是傳奇的一生。

年輕時(shí)，古迪納夫在美國耶魯大學(xué)就讀的專業(yè)是文學(xué)和數(shù)學(xué)，化學(xué)只是其大一的一門選修課，不過他在自然科學(xué)領(lǐng)域有著過人的天賦與不懈的追求。1943年，古迪納夫在耶魯大學(xué)獲得了數(shù)學(xué)系學(xué)士學(xué)位之后，打算開始攻讀物理學(xué)；不料二戰(zhàn)爆發(fā)，古迪納夫在戰(zhàn)時(shí)服役，戰(zhàn)爭結(jié)束后，他繼續(xù)攻讀物理學(xué)，并被教授們認(rèn)為“超齡而難以在該領(lǐng)域內(nèi)取得成就”。

然而，古迪納夫并未就此氣餒，在取得固態(tài)物理博士學(xué)位后，1952至1976年間，他在林肯實(shí)驗(yàn)室工作，并研究能原材料的相關(guān)工作。

在美國受阿拉伯國家石油禁運(yùn)之際，能源問題的突出使年過半百的古迪納夫決定投身于鋰電池研究。繼惠廷漢姆發(fā)明了可充電卻在放電過程中易爆炸的鋰電池后，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)計(jì)算，古迪納夫發(fā)現(xiàn)了比先前的硫化鈦更適合做鋰電子電池陰極材料——層狀結(jié)構(gòu)的鈷酸鋰。

與此同時(shí)，第三位今年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者——現(xiàn)年71歲的日本吉野彰就此登場(chǎng)。彼時(shí)，也在盡力攻克鋰離子電池難題的吉野彰已經(jīng)找到了適合的陽極材料，一直為陰極材料所困，直到他讀到了古迪納夫的論文。

吉野彰回憶，古迪納夫的發(fā)現(xiàn)給了其所需要的一切，鈷酸鋰能把現(xiàn)有的鋰鎘電池的重量縮減三分之一。 在此基礎(chǔ)之上，吉野彰設(shè)計(jì)的鋰離子電池以碳基材料為陽極，以鈷酸鋰為陰極，完全去除電池中的金屬鋰，提高了安全性；此后，吉野彰又對(duì)鋰離子電池進(jìn)行了多次技術(shù)改良，例如采用鋁箔做集流體，用聚乙烯薄膜做離子隔膜等。

1991年，兩人合作發(fā)明的鋰離子電池被索尼公司推向市場(chǎng)，標(biāo)志著鋰離子電池的大規(guī)模使用。

與此同時(shí)，原本板磚一樣體積的“大哥大”不復(fù)存在，取而代之的是以鋰電池為電源的輕薄手機(jī)；目前國內(nèi)外電動(dòng)汽車的蓬勃發(fā)展，無外乎也源于鋰電池的運(yùn)用。

鋰電池大規(guī)模商用后，古迪納夫等科學(xué)家從未停止過對(duì)能原材料的研究。1996年，古迪納夫和另一位科學(xué)家Padhi發(fā)現(xiàn)了具有橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鹽，如磷酸鐵鋰(LiFePO4)，比傳統(tǒng)的正極材料更具安全性、耐高溫，鋰電子材料又進(jìn)一步得到了發(fā)展。

縱覽電池發(fā)展的歷史，可以看出當(dāng)前世界電池工業(yè)發(fā)展的三個(gè)特點(diǎn)：一是綠色環(huán)保：包括鋰離子蓄電池、氫鎳電池等；二是一次電池向蓄電池轉(zhuǎn)化，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略；三是電池進(jìn)一步向小、輕、薄方向發(fā)展。

在商品化的可充電池中，鋰離子電池的比能量最高，特別是聚合物鋰離子電池，可以實(shí)現(xiàn)可充電池的薄形化。正因?yàn)殇囯x子電池的體積比能量和質(zhì)量比能量高，可充且無污染，具備當(dāng)前電池工業(yè)發(fā)展的三大特點(diǎn)，因此在發(fā)達(dá)國家中有較快的增長。

電信、信息市場(chǎng)的發(fā)展，尤其是移動(dòng)電話和筆記本電腦的規(guī)模化生產(chǎn)，更給鋰離子電池帶來了市場(chǎng)機(jī)遇。不過，鋰電池的“技術(shù)革命”依然在路上，主要包括三個(gè)方敏依然有待革新：電池能量密度、功率密度和安全系數(shù)。

97歲的古迪納夫曾在中國學(xué)生黃云輝50歲生日的時(shí)候給學(xué)生送上祝福“Yunhui, 50 years is only the beginning. Happy Birthday”，這也正符合他自己知天命年紀(jì)才開始投身于能原材料研究并不懈鉆研的精神。

古迪納夫自己也表示還將工作5年，102歲退休。能源材料的科研前輩們老驥伏櫪、后輩們?nèi)瞬艥?jì)濟(jì)，未來，新型電子還會(huì)不斷革新人類的生活。

（鈦媒體編輯陶淘綜合自騰訊新聞、知乎、新浪新聞）

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