鋰電池研發先驅圓夢諾獎

跨越了幾代人的鋰離子電池技術終獲諾貝爾獎眷顧，3大研發先驅“創造可充電世界”的努力也終得蓋章認證。瑞典皇家科學院10月9日宣布，2019年諾貝爾化學獎授予鋰離子電池技術奠基者約翰·B·古迪納夫（John B. Goodenough）、M·斯坦利·惠廷厄姆（Stanley Whittingham）和吉野彰（Akira Yoshino），其中97歲的古迪納夫成為迄今最高齡的諾貝爾獎得主。

上述3位科學家里程碑式的貢獻，貫穿了鋰離子電池從基礎研究到商業化應用的整個發展歷程。瑞典皇家科學院在聲明中稱：“他們的成就讓‘零化石燃料世界’成為可能，這個應用于無線電子類產品、電動汽車、可再生能源以及儲能等多個領域的技術，正在讓人類擺脫油氣嚴重依賴并尋求綠色低碳未來的夢想照進現實?！?

“鋰電鼻祖”開創先河

惠廷厄姆、古迪納夫和吉野彰在鋰離子電池領域的研究是相輔相成且逐漸遞增的。惠廷厄姆于20世紀70年代利用硫化鋰鈦制造了首個功能性可充電鋰離子電池模型，成為鋰電技術的“開山鼻祖”。

惠廷厄姆1941年誕生于英國，在牛津大學獲得博士學位后前往美國斯坦福大學攻讀博士后，隨后在美國最大石油公司埃克森美孚和全球最大油服商斯倫貝謝工作了16年，在埃克森美孚工作期間研發出了全球首個鋰離子電池模型，現任職于美國紐約州立大學賓漢姆頓分校材料研究所和材料科學與工程專業主任。

追溯他的研發歷程不難發現，1973年爆發的第一次石油危機是電池技術發展的轉折點，國際社會意識到了能源安全的重要性，如何擺脫化石燃料嚴重依賴并尋求替代能源成為當時能源科學領域的主流。因此，率先在電池陽極中成功使用超輕、高反應性且容易釋放電子的金屬鋰的惠廷厄姆，得到了前所未有的關注。

惠廷厄姆首次提出了新的電池工作原理——嵌入，這為之后新式鋰離子電池成功商業化奠定了基礎。他在2015年接受采訪時表示：“這就像在三明治中夾果醬一樣，將鋰離子放入和取出，但仍然保留晶體結構?！碑斈?，惠廷厄姆就已經成為湯森路透諾貝爾獎得主預測名單的“座上賓”。

鋰作為元素周期表中最小和最輕的金屬，與1970年代占據主導地位的大型笨重的鉛酸電池不同，可以被嵌入很小的空間且容易釋放電子，惠廷厄姆將具備這些優勢的鋰和可以捕獲流動電子空間的鈦組合在一起，實現了充電和放電過程的初代鋰離子電池，只不過這樣的材料組合很容易爆炸。

“鋰電之父”突破瓶頸

鋰離子電池的穩定性難題，最終被古迪納夫和他的團隊成功破解。1980年，古迪納夫團隊提出了使用鈷酸鋰的想法，將鈦替換成相對穩定的層狀材料氧化鈷，解決了鋰離子電池容易著火爆炸的問題，同時還將容量翻番，從惠廷厄姆版本的2伏增至4伏。

這一瓶頸的突破讓古迪納夫擁有了“鋰電之父”的稱號，事實上他一直是諾貝爾化學獎的熱門人選，盡管此前年年陪跑，但并不影響他的科研熱情。作為美國德州大學奧斯汀分校教授，古迪納夫日日趕赴實驗室，親自帶領學生并指導團隊。

誕生于1922年的古迪納夫，祖籍德國，父母離異迫使他逃離家庭，咬牙考入父親母校——美國耶魯大學，結果卻多次更換專業，一開始主修古典文學，后來轉到哲學，中間為了學醫還選修過化學，臨畢業又被一位數學教授看重，最終以數學學士學位結束了在耶魯讀書的日子。

二戰爆發他義無反顧參了軍，退役后選擇去芝加哥大學進修物理，和楊振寧成為同窗密友。30歲開始讀博，之后被推薦到麻省理工的林肯實驗室并首次“觸電”。1976年，54歲的古迪納夫得到了牛津大學無機化學實驗室主任的職位，努力適應當地霧蒙蒙天氣的古迪納夫從未想到，他在這里迎來了人生的重要轉折點——研究領域徹底轉向電池。

這些都為后來的成功鋪平了道路，古迪納夫此前談論鋰離子電池發展時直言：“成本、安全性、能量密度、充放電速率、循環壽命等參數，對于電動汽車的普及至關重要，我相信我們終將解決現有電池的諸多問題?！?

“鋰電推手”問鼎市場

真正將鋰離子電池推向商業化的是“鋰電推手”吉野彰。在古迪納夫團隊突破鋰離子電池不穩定瓶頸之后，吉野彰團隊圍繞“優化鋰離子電池性能并將其推向市場”展開研究，于1985年研發出了世界上首塊商業可行的鋰離子電池，由此拉開了人類移動信息革命的序幕。

吉野彰1948年1月30日出生于日本大阪，1972年畢業于京都大學大學院工學研究專業，之后進入日本綜合性化工集團旭化成并再未離開，1981年正式涉足鋰離子電池研發。吉野彰曾坦言：“電池技術是復雜又困難的交叉學科，需要多方面的專家，在我看來，鋰離子電池是集智慧之大成的成果?！?

1985年，在克服了諸多技術障礙之后，吉野彰團隊徹底從電池中消除了金屬鋰，將電池陽極端的材料更改為一種石油焦，使得電子可以在兩端之間輕松安全地流動，同時還不會與周圍的材料發生反應并使它們降解，這樣的組合具有安全性高、體積小、能量密度高等特性，同時還延長了電池的使用壽命。

1991年，日本索尼與旭化成展開合作，鋰離子電池首次實現了商業化應用，移動電子的新格局由此誕生。此后，鋰離子電池逐漸成為現代電子技術以及可持續能源經濟不可或缺的一部分，是手機、電腦、電動汽車、太陽能電池板、風力渦輪機等重要產品的“心臟”。

盡管鋰離子電池仍然存在不少問題，比如開采方式未必一定環境友好，且全球對于更輕、更小、充電速度更快且更環保的電池材料更加趨之若鶩，但其無疑是破解化石燃料發電格局的關鍵，尤其是在全球加速應對氣候危機、降低污染和排放的大背景下。

諾貝爾委員會成員Olof Ramstrm表示：“人類在改善運輸和供電方式以降低對環境影響方面只是開始，不僅是鋰離子電池，未來還將出現更多種類的電池。鋰離子電池的問世，敲開了零油氣時代大門。”