交匯點訊 2019年10月9日，2019年諾貝爾化學獎授予美國固體物理學家約翰·巴尼斯特·古迪納夫（John B. Goodenough）、英國化學家斯坦利·威廷漢（Stanley Whittingham）和日本化學家吉野彰（Akira Yoshino），以表彰他們在鋰電池領(lǐng)域的貢獻，三人將均分900萬克朗獎金。就此，記者采訪了南京大學、南京工業(yè)大學的相關(guān)學者，了解了鋰電池的前世今生。
老爺子“足夠好”，他的發(fā)現(xiàn)可能你也在用
約翰·班尼斯特·古迪納夫（John B. Goodenough），他就是“足夠好”老爺子，今年97 歲高齡。在此之前，這個記錄由 90 歲高齡獲得 2007 年諾貝爾經(jīng)濟學獎的里奧尼德·赫維克茲保持。
“我們的群里都在轉(zhuǎn)發(fā)，所有人都覺得，老爺子早就該得這個獎項了。”南京工業(yè)大學先進材料研究院教授朱紀欣表示，古迪納夫多次被提名諾貝爾獎，差不多是科學圈的“村上春樹”。
1980年，57歲的物理學家古迪納夫發(fā)明了鋰電池中最重要的部件——鈷氧化物陰極?，F(xiàn)在全世界的便攜電子設(shè)備大多都采用這種陰極。而在此之前，他已經(jīng)在磁性材料領(lǐng)域做出了杰出貢獻。電化學當時對他而言，屬于玩票性質(zhì)。
“早期的電池，比如鎳鎘、鎳氫電池，均是一次性的，不能充放電。古迪納夫找到了層狀結(jié)構(gòu)的鈷酸鋰（LiCoO2），作為電池的陰極，將除鋰之外的金屬材料作為陽極，能夠?qū)崿F(xiàn)高密度的能量儲存?！边@樣一來，可充電鋰電池才得以商業(yè)化。
現(xiàn)在，年過九旬的 Goodenough 先生仍每天都去德克薩斯大學奧斯汀分校的小辦公室上班。對此他解釋道，我的工作還沒有完成。
朱紀欣說，鋰電池有自己的缺點，即能量密度還不夠大。應(yīng)用在目前的智能手機上，刷個一天就要充電了。簡而言之，世界需要超級電池。比如現(xiàn)在有鋰空氣電池、金屬電池、鋰硫電池這些能量密度比較高的新型電子。如何走向商業(yè)化？這應(yīng)該是老爺子繼續(xù)進軍的方向。
鋰電池的前世今生，物理學家和化學家的合作
南京大學現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學學院教授周豪慎說，今天我們做的鋰離子電池，早在上個世紀70年代，今年的諾獎得主，也是另一個鋰電池先驅(qū)——斯坦利·威廷漢（Whittingham）即采用硫化鈦作為正極材料、金屬鋰作為負極材料，制成了世界上首個新型鋰電池，這是一個極大的進步，移動電源出現(xiàn)了曙光。
不過這個電池有很大的安全隱患，甚至因為一次安全事故，導(dǎo)致了北米鋰電池的公司倒閉。
金屬鋰是活性的，電池爆炸的風險太大，解決這個問題，古迪納夫預(yù)測，如果用一種含鋰的金屬氧化物而不是金屬硫化物來制造正極，那么電池將具有更大的電勢。
以古迪納夫的正極為基礎(chǔ)，日本科學家吉野彰發(fā)現(xiàn)負極可以用碳材料來做，不含任何金屬。和Goodenough先生發(fā)現(xiàn)的正極相配，他在1990年發(fā)明了第一個商業(yè)上可行的鋰離子電池。他沒有在負極使用活性鋰，而是使用石墨碳，這是一種碳材料，像正極的鋰鈷氧化物一樣，可以插入鋰離子。
1991年，吉野彰和Goodenough合作發(fā)明的鋰離子電池被索尼公司推向市場，標志著鋰離子電池的大規(guī)模使用。回顧歷史，吉野彰曾表示：“電池技術(shù)是復(fù)雜又困難的學科交叉領(lǐng)域，它的發(fā)展需要多方面的專家。在我看來，鋰離子電池是集體智慧的成果?！?/p>
周豪慎介紹，97歲的諾獎得主“足夠好”老先生如今依然堅守在一線能源研究中。“我的一位學生今年9月份剛剛?cè)ッ绹鳪oodenough教授處做博士后，他昨天還和這位‘足夠好’老先生討論我們課題組在南京大學所做的固態(tài)鋰空氣電池工作，以及該工作后續(xù)如何進一步展開的問題。”
強心針！新能源領(lǐng)域亟待巨大突破
“諾貝爾化學獎頒發(fā)給這三位科學家，是給多年未獲獎的新能源領(lǐng)域打了一劑強心針?！蹦暇┐髮W化學化工學院金鐘教授表示，諾貝爾化學獎已經(jīng)連續(xù)兩年頒發(fā)給了生物化學領(lǐng)域研究者，此次“足夠好”先生以97歲的高齡獲獎，可以說是眾望所歸。獲獎的鋰離子電池研究是以傳統(tǒng)電化學為核心，涉及物理、化學、能源、材料等多學科交叉的系統(tǒng)性研究。
金鐘告訴記者，“足夠好”先生目前仍然在研究新型儲能電池體系，尤其是高安全的固態(tài)鋰電池。在這些領(lǐng)域，“足夠好”先生每年都還保持著很高質(zhì)量的科研產(chǎn)出。在一些會議上，也不乏他報告的身影?！八麨槿朔浅：蜕疲移揭捉?。他有很多新的想法，一直在突破自己，講報告的時候條理非常清晰，寫的文章不僅提出新概念，也將原理解釋得非常清晰?！苯痃娬f，“足夠好”先生還教導(dǎo)出了一批又一批做電池的高手，無論在學術(shù)界還是產(chǎn)業(yè)界，都有他弟子們的身影。
金鐘科普道，固態(tài)鋰電池本質(zhì)上還是鋰電池，但在性能上有重要改良?！捌浜锰幉粌H僅是大容量，還在于高安全性，即利用固態(tài)電解質(zhì)，去代替鋰電池中原本容易燃燒爆炸的有機電解液?！爆F(xiàn)在新聞中每隔一段時間就會報道手機和電動車的起火燃燒事故，這正是因為鋰電池的安全性還不盡人意?？梢哉f，人們對鋰離子電池的性能仍沒有完全滿意，有待于進一步的技術(shù)革新，這也是“足夠好”先生97歲高齡仍然堅持在科研一線的原因。開發(fā)一種能量密度高、安全性佳、循環(huán)壽命久、對環(huán)境沒有污染的電池，正是人們翹首以盼的，而這個成果或許已經(jīng)在路上。
交匯點記者 楊頻萍
