97岁“锂电池之父”等三位科学家获2019年诺贝尔化学奖

瑞典斯德哥尔摩当地时间9日中午，瑞典皇家科学院宣布，将2019年诺贝尔化学奖授予美国科学家约翰·古迪纳夫（John B. Goodenough）、英国科学家斯坦利·惠廷厄姆（M. Stanley Whittingham）和日本科学家吉野彰（Akira Yoshino），以表彰他们在锂离子电池研发领域作出的贡献。

他们创造了一个可充电的世界

美国德州大学奥斯汀分校（University of Texas at Austin）机械工程系教授Goodenough是锂电池之父，他的名字挺有意思，翻译过来是“足够好”的意思。但关注诺奖或者电池领域的人可能知道，他堪称化学奖界的村上春树——“陪跑”多年，人人都觉得他应该得，但就是一直没有得，直到今年。Goodenough使锂电池体积更小、容积更大、使用方式更稳定，从而实现商业化，同时开启了电子设备便携化进程。

值得一提的是，三位科学家均已70岁以上。其中，1922年出生的Goodenough已97岁，打破了诺贝尔奖获得者的最大年龄纪录。三人中年龄最小的日本旭化成公司名誉研究员Akira Yoshino今年也已71岁。

Akira Yoshino在发布会的电话连线中说，“好奇心是驱使我开展研究的动力”，气候变化是当今非常严峻的挑战，锂离子电池能为解决这一问题提供很大帮助。

今年诺贝尔化学奖奖金共900万瑞典克朗（约合91万美元），将由三名获奖科学家平分。

可以想象一下没有锂电池的世界，出门在外，你恐怕得为手机准备上一打镍镉电池，以防它打上几个电话就宣告罢工。颁奖致辞当中，瑞典皇家科学院表示：“锂电池作为轻便，可充电和强大的电池，如今得到广泛使用，尤其在电话，电脑和电动汽车领域，它还能显著保存太阳能和风能，这将帮助人类开启摆脱石能源的社会”。

致辞里还回顾了上世纪七十年代的石油危机，这也曾是锂电池发展的初始阶段。本次获奖的三人在锂电池发展中做了巨大贡献，其中“Whittingham对超导和富含能量的钴酸锂进行研究，发现这种材料适合做阴极材料”， Goodenough “让这种电池的性能潜力翻倍”，而Akira Yoshino则“通过去除金属锂，让锂电池变得更加安全”。

锂离子电池的诞生

上世纪70年代，Whittingham正致力于研制一种可以摆脱石油燃料的能源技术。他开始对超导体材料进行研究，并很快发现了一种极端富能的材料，利用这种材料，他将这种材料创造性的用于制作锂电池的阴极。这是使用二硫化钛制作的，在分子层面上，其内部空隙可以容纳锂离子。

电池的正极部分由金属锂制成。锂有很强的释放电子的驱动力。这就形成了一个具有巨大电势的电池，刚刚超过2伏特。然而，金属锂是活性的，电池爆炸的风险太大，在商业上并不可行。

Goodenough推测，如果用一种金属氧化物而不是金属硫化物来制造阴极，那么电池将具有更大的电势。经过系统的研究，在1980年，他证明了嵌入锂离子的氧化钴可以产生高达4伏特的电压。层状氧化物正极材料——钴酸锂至此确定，这是一个重要的突破，将带来更强大的电池。而“这一材料至今仍应用在我们各类主流消费类电子产品中。”中国科学院物理所研究员李泓说。

20世纪70年代初，斯坦利·惠廷汉姆（Stanley Whittingham，今年的化学奖得主）开发出第一块可工作的锂电池时，他利用锂的巨大动力释放其外部电子。

但有了正负极材料，并不意味着就能有可用的电池，需要有人将所有这些材料集成为可用的器件。

在Goodenough研制出的阴极基础上，日本名古屋市的旭化成公司（Asahi Kasei）研究员、名城大学教授吉野彰（Akira Yoshino） 1985年开发出了首个接近商用的锂离子电池。他并未使用活泼的金属锂做阳极，而是使用了焦炭，这种碳材料可以像氧化钴一样提供容纳锂离子的空间。

1991年，索尼公司率先将其真正商业化。一个轻巧耐用、在性能下降前可充放电数百次的电池由此产生。上海科技大学物质科学与技术学院助理研究员刘巍说：“从1991年商业化到现在，锂电池的主流正负极材料没有太大改变。现在最常见的锂电池中，正极为钴酸锂材料，负极是碳材料。”

李泓认为，Akira Yoshino的获奖也充分说明，原始创新不一定只出现在高校实验室。当基本概念提出后，工程技术方面的创新突破也是最终能否获得实际应用的关键。所以对基础科学的发展起到了奠基性作用、对技术创新和技术改进起到了关键推动作用的成果，都应该获得诺贝尔奖级的评价。

科研人员仍在不断推进锂电池技术发展

锂离子电池的优点是，它们不是基于分解电极的化学反应，而是基于锂离子在正极和负极之间来回流动。自1991年首次进入市场，锂离子电池彻底改变了人们的生活。这种电池奠定了无线、无化石燃料社会的基础，对人类具有极大益处。

1997年，Goodenough已经75岁，他和团队又开发了另一种更加稳定安全的正极材料磷酸铁锂，它是目前电动汽车、电动大巴、电动船舶、大规模储能、通信基站、数据中心等所用电池的主流材料。“他在锂电池正极材料方面作了奠基性的贡献。”李泓强调。而Goodenough的很多学生，也在锂电池这一领域继续开疆拓土，为正极材料和电解质材料的开发作出了卓越的贡献。“他得到诺贝尔奖是实至名归，”李泓说，“早就应该得了。”

现在的科研人员也在研发新的正负极材料，但还不够主流。“毕竟，要找到新的材料并且将之真正应用，并不容易，而且耗时漫长。”刘巍说，现在比较好的发展方向，是固态锂电池，它的性能有望更好，而且更安全。传统锂电池用的是液体电解液，它容易燃烧。换成固体，便能解决这一问题。各国都在大力发展这一方向，不过固态锂电池尚处在实验室探索和初步商业化阶段。

Goodenough依然走在他开创领域的前沿，也在进行全固态电池的研究。近期他还在期刊上刊文，回顾了可充电锂电池的历史。

锂电池技术也在进一步发展。李泓说，科研人员和工程师们，努力在让目前的锂离子电池能量密度更高，充放电速度更快，更安全，更长寿。总之，用各种创新的方法去提升和优化锂电池的性能，让它们可以用到更多、更广阔的场景中去，在更极端条件下，也能发挥作用。

责编：Luffy Liu

本文综合自新华社、人民日报、科技日报、新浪科技报道