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2019年10月10日 | 2019诺贝尔化学奖给了锂电池，他们创造了一个可充电的世界

2019-10-10 来源：互联网

10月9日，瑞典皇家科学院宣布，将2019年诺贝尔化学奖授予德州大学奥斯汀分校教授John B.Goodenough，纽约州立大学宾汉姆顿分校教授M.Stanley Whittingham，以及日本名城大学教授吉野彰，以表彰他们“在发明锂电池过程中做出的贡献”。

他们创造了一个可充电的世界

2019年度诺贝尔化学奖奖励锂电池的发明。这种轻巧，可充电且性能强劲的电池今天早已进入寻常百姓家，被每一部手机，笔记本和其他电子设备所使用。它还能用于存储太阳能和风能，从而让构建一个零化石燃料使用的社会成为可能。

锂电池被全球范围被被广泛用于为便携式电子设备提供电力，方面我们通讯，工作，开展研究，听音乐，或者检索知识。锂电池的发明还让可以长距离行驶的电动汽车研发成为可能，同时它也被广泛用于可再生能源，如太阳能和风能的存储。

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锂离子电池已经彻底改变了我们的生活，并被用于从手机到笔记本电脑和电动汽车的所有领域。通过他们的工作，今年的化学获奖者奠定了无线、无化石燃料社会的基础。

锂电池的研发基础在1970年代的石油危机期间被构建起来。当时，Stanley 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。

John Goodenough预测，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。这是一个重要的突破，将带来更强大的电池。

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。

以Goodenough的阴极为基础，吉野彰在1985年发明了第一个商业上可行的锂离子电池。他没有在阳极使用活性锂，而是使用石油焦，这是一种碳材料，像阴极的钴氧化物一样，可以插入锂离子。

于是，研究者获得了一种重量轻且耐用的电池，在性能衰竭之前可以充电数百次。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年首次投入市场以来，锂离子电池已经彻底改变了我们的生活。它们为无线通讯和建立无化石燃料社会奠定了基础，为人类带来了巨大的利益。

此前，美国化学会周刊《化学化工新闻》（C&EN）做出了相当准确的预测。当时该期刊表示，今年的化学奖很有可能会在电池研究、基因编辑技术、金属有机框架材料研究等改变人类世界生活的三大领域中产生，并猜测今年的获奖者可能会是97岁高龄的“锂电池之父”、美国德州大学奥斯汀分校（University of Texas at Austin）机械工程系教授古迪纳夫（John B.Goodenough）。

为什么是锂电池？为什么是老爷子？有什么八卦？请往下看！

John B Goodenough，美国德州大学奥斯汀分校机械工程系教授，锂电池之父，美国科学院和工程院两院院士，曾获2001年 Japan Prize，2009年 Fermi Award，2011年美国国家科学奖章和2014年Charles Stark Draper Prize。老爷子出生于1922年7月25日，二战老兵，本科毕业于耶鲁大学数学系，芝加哥大学物理博士，杨振宁先生的同学。如今以97岁高龄，仍然坚持研究工作，寻找下一个超级电池。

M.Stanley Whittingham，纽约州立大学Binghamton 分校化学和材料科学与工程教授，锂电池研究先驱。1941年出生，本科、硕士和博士均毕业于牛津大学。加入Binghamton之前，长期在石油公司Exxon工作，从事电池研发。

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吉野彰（Akira Yoshino），1948年生于日本。1972年吉野彰毕业于京都大学大学院工学研究专业。智能手机和电动汽车使用的锂离子电池的开发者、旭化成公司研究员，旭化成株式会社吉野研究室室长，还是京都大学大学院工学研究专业特命教授。

为什么是锂电池？

为什么是锂电池得奖？相信很多人会有这样的疑问。要回答这个问题，有必要先看看诺贝尔的遗嘱：The said interest shall be divided into five equal parts， /- - -/ one part to the person who shall have made the most important chemical discovery or improvement……

也就是说，诺贝尔化学奖应该授予做出最重要化学工作的人。锂电池是这样的一个发现么？请各位扪心自问，一天有多少时间花在手机上、微信上？没有锂电池，这一切很难想象！

从商务到休闲，从阅读到游戏，老爷子的锂电池让您的移动生活成为可能！

在走进老爷子的世界之前，让我们先退一步，回想过去六七十年最重要的一些技术发明和进步。不管您是穆斯林还是基督徒，信奉释迦牟尼还是老庄，您是否注意到，有两样东西如今无所不在，对社会和经济产生巨大的冲击，彻底改变了人们的工作和生活？第一个是三极管，贝尔实验室的产物，开辟了电子时代，催生了Intel和Microsoft，促成了信息革命，并且早在1956年就获得诺贝尔奖。第二个就是锂电池！是它给三极管插上了翅膀，让您的移动生活和工作成为可能。没有它就没有笔记本电脑、智能手机和平板；没有它就没有苹果的重生、没有三星、没有特斯拉……

咱终于也和诺贝尔奖亲密接触一次啦！现在知道，为什么要把诺贝尔奖给锂电池了么？那锂电池和Goodenough老爷子，又有什么渊源呢？

为什么给老爷子？

在走近锂电池的前生后世之前，让我们先八卦一点老先生的花絮。古老爷子在家排行老二，可以说是出生在书香门第，老爸是耶鲁教授，兄弟姐妹也都在学术圈混。不幸的是父母关系恶劣，殃及池鱼，12岁就把他送去读寄宿学校。因此Goodenough和父母关系非常冷淡，几乎从来不提他们。他在中学似乎也并不好好读书，不过最终还是去了耶鲁念数学，毕业成绩优异。Goodenough的家庭背景和孩童时代成长经历，看起来和知社学术圈前段介绍的LIGO之父 Weiss有很大的类似性。

大学毕业之后Goodenough去当兵，远赴欧洲战场打第二次世界大战，传言还参加过诺曼底登陆。战后他驻扎在葡萄牙，做陆军上尉。这个时候幸运之神敲门，一份电报过来，让他48小时之内回到华盛顿报道。原来政府有一笔没花完的钱，要用来送21名军人去念研究生，一个耶鲁教授推荐了他。于是 Goodenough来到芝加哥大学念物理，虽然他本科压根就没有修过科学课程。那一年他24岁。

芝加哥大学物理系那个年代高人满座，大师云集，包括费米和泰勒，当然还有跟着泰勒念博士的杨振宁。年轻的Goodenoguh上课的时候，一个教授问他，我真不知道你来干嘛！但凡在物理上做出点什么名堂的人，在你这把年纪早就已经做出来了：I don’t understand you veterans。Don’t you know that anyone who has ever done anything significant in physics has already done it by the time he was your age？

这话简直是一语成谶：杨老非常年轻的时候就得了诺贝尔，古老90多岁了才得到他应得的荣誉，还不是物理的。

不过Goodenough好歹还是从芝加哥大学物理博士毕业了，之后去了MIT Lincoln实验室，在美国空军资助下研究防空系统所用到的存储元件。这期间他发现了磁性材料中所谓的Goodenough-Kanamori准则，描述原子间自旋的相互作用。到了六七十年代，石油危机引发广泛关注，Goodenough开始将注意力转向能源存储。可是能源领域的研究属于美国能源部的范畴，和空军无关，老爷子也碰到了经费问题。幸运之神这时再次敲门，牛津大学要在无机化学方向找个教授，Goodenough被选中了，虽然他只修过两门大学本科化学课。到了牛津，Goodenough因严厉而声名远扬。他教的一门物理课第一堂来了165个学生，教室里面水泄不通。等到第二堂的时候，只回来了8个学生，大家都被他吓跑了。

回到锂电池的缘起，还得从上个世纪的石油危机说起。在二十世纪初汽车刚刚出现的时候，电动汽车其实大行其道，但最终被汽油车所淘汰。到了上世纪70年代，爆发世界能源危机，石油供给短缺，促使大家开始重新关注电动车，这样曾经显得很乏味的电池，开始引起人们的重视。这个时候 Goodenough刚刚从麻省理工学院跳槽到牛津，而另一个锂电池先驱Whittingham则刚从斯坦福去石油巨头 Exxon工作。

最初的电动汽车用的是铅酸电池，19世纪中期发明的。1966年，福特汽车公司推出了新型的NaS电池，S做阴极Na做阳极，较铅酸电池轻而且能量密度高。听起来是不错，只是其工作温度高达300摄氏度，而Na在98度就融化，遇见空气就着火，显然安全很成问题。尽管如此，福特声称NaS电池汽车可以跑200英里，充电只需要一个小时，即便今天，这也是有吸引力的。于是当时大伙都涌向电池，研究热度和今天有一拼。

Whittingham 1968年毕业后在斯坦福做了几年博后，发现锂离子可以在层状材料TiS2可逆的嵌入析出，适合做电池阴极，在室温下就能工作，重量也轻，引起了很大的反响。1972年，Exxon 把他挖了过去，用TiS2 和 Li金属做电极，开发出世界上第一个锂电池，1976年获得专利。这是一个极大的进步，锂电池轻巧而且高能，移动电子出现曙光。不过这个电池极不实用，价格昂贵，也有很大的安全隐患。Exxon 最终放弃了这个项目。

这个时候， Goodenough 老先生出手了，他预感用金属氧化物做阴极，可以解决TiS2的问题，而且电压更高，能量密度更大。在牛津，他找了两博士后，搜寻合适的金属氧化物，能嵌入析出更多的锂离子而保持结构稳定。1980年，他们找到了神奇的LiCoO2，也是层状的，就是下面这个结构。几乎可以肯定，它就在你的手机和电脑里。这一年，老爷子已经58岁，真可谓大器晚成。当然他在此之前，已经在磁性材料领域做出了杰出贡献。电化学当时对他而言，属于玩票性质。

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Goodenough这项发现，从实验室到商业市场，还是经过了10余年的时间。1991年，索尼推出了世界第一个商用锂电池，最初是用于相机，慢慢就无所不在了。不过当初谁也没有预料到锂电池有如此大的造化，牛津大学拒绝为此申请专利，想必肠子都悔青了，老爷子在这里面没有捞到半点经济实惠。

不过Goodenough并没有止步于此。LiCoO2的层状结构使锂离子输运限于二维平面，因此他和他的博士后们希望寻找新的电极材料，通过锂离子的三维输运，提升电池倍率性能。1982他们就发现了尖晶石结构的LiMn2O4，较LiCoO2更为安全便宜。1986年，Goodenough回到美国，到德克萨斯大学继续从事电池研究。到了1993年，日本电讯（NTT）将Shigeto Osada送到他的实验室，和他的博士后Akshaya Padhi继续寻找更好的尖晶石结构电极。这一搜寻及其艰苦，Co， Mn， V等一系列元素均不理想。最后只剩下Fe和P的组合。Goodenough对这一组合的尖晶石结构持怀疑态度，而Padhi证实了他的猜测，得到了橄榄树结构的LiFePO4，性能超群！继LiCoO2和LiMn2O4之后，Goodenough研究组发现了第三个明星电极。

可是，Goodenough不知道的是，Osada已经偷偷把这一结果向NTT汇报，而NTT则迅速开始推进工作，并在1995年11月悄悄地申请了专利。等到1996年Goodenough得知这一消息的时候，非常愤怒：他是一个间谍，老爷子对Padhi吼道，赶紧把你所做的实验都记录下来！随后德克萨斯大学将NTT告上了法庭，价值5亿美金。这样的实验记录对其后的专利大战至关重要。

还嫌不够乱，麻省理工学院材料系的华人教授Yet-Ming Chiang也加入战局，申请了自己的专利，并创办了电池公司A123，发展基于LiFePO4的动力电池。知识产权的三国大战精彩纷呈，到2008年，A123成功游说欧洲法庭取消了Goodenough的专利，LiFePO4技术一下子变得对所有人都免费。比亚迪推出了LiFePO4的电动汽车，更吸引了Warren Buffett花费 2亿3千万美金收购其10%的股份。而A123在2009年上市，融资将近6亿美金。这是Yet-Ming Chiang教授第三个上市公司，MIT的创新能力可见一斑！不过A123在2012年宣布破产！最终，NTT与德州大学庭外和解，向其支付3千万美金以及今后销售的一些利润。

不过老爷子的使命尚未结束。自他发现LiCoO2，30多年过去了，锂电池驱动的电动汽车还是难以与内燃机车竞争，可再生能源的电池存储也面临巨大的挑战。这个世界仍然需要下一个超级电池解决这些问题，而Goodenough觉得他还有下一个好的主意，“我要在洗手不干之前解决这些问题。我只有92岁，还有一些时间。”

他很喜欢自己说的“爬行乌龟”的比喻，在接受媒体采访时，他还补充道：“这种贯穿一生的爬行有可能带来好处，尤其是在你穿越不同领域，一路收集各种线索的情况下。你得有相当多的经验，才能把不同的想法融汇在一起。”

30岁，入行。

58岁，钴酸锂。

75岁，磷酸铁锂。

94岁，全固态电池。

今年他97岁，几乎得到了一个科学家能得到的所有荣誉。但是，古迪纳夫从来没觉得自己已经good enough了，他只是不断收集线索，继续向前。

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95岁的古迪纳夫仍然在思考着新的研究课题

锂电池

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