當我們拿起 手機時， 要感謝這三個人

三三

10月9日，2019年諾貝爾化學獎授予約翰·B·古迪納夫、M·斯坦利·威廷漢、吉野彰，以表彰他們在鋰離子電池領域做出的貢獻。

手機、相機、電腦，我們身邊熟悉的物品之所以是現在的模樣，都離不開鋰電池的功勞。舉個例子來講，20世紀50年代的一部手機重量達到80磅，大概72.5斤左右，相當于一個七八歲兒童的重量。其中很大的重量來自手機電池。

自上世紀70年代誕生以來，鋰電池憑借體積更小，能量密度更大，可再充電等等特點一直在能量存儲技術中占據絕對地位。所以，當我們輕松不費勁地拿起最熟悉的手機的時候，要記得感謝上面三位科學家。

鋰電池的出現并非偶然。一直到20世紀中期，石油依然是人類主要的驅動能源。但隨著燃油汽車數量的顯著增加，石油資源的有限性受到關注，汽車排放的廢氣也已經成為急需解決的問題。一些企業的先行者們開始意識到，如果企業要生存，必須要尋找新的能源。

最先行動起來的是石油巨頭埃克森，埃克森在原來的主業之外，開始投入大量資金進行基礎研究，公司招募了一批當時在能源領域最重要的一些研究人員，給予他們充分的自由做想做的事情。

斯坦利·威廷漢就是眾多研究成員中的一個，他來自斯坦福大學，研究方向是固體材料。1972年，他加入埃克森公司。一開始斯坦利·威廷漢專注于研究超級導體材料，希望以此發現新的能源物質。他們在二硫化鉭中加入離子，并研究其電導率會受何影響。他們在一次實驗中發現鉀離子會影響二硫化鉭的電導率，兩者相互作用之后能夠產生驚人的能量。

那時候，市場上已經有可充電電池，但因為電池的電極中含有固體物質，當它們與電解液發生化學反應時就會分解。這一過程會損毀電池。斯坦利·威廷漢則發現，他們發現的這種材料電壓比當時的電池要好很多。他經過多年的實驗和研究，最終采用用硫化鈦鋰作為鋰電池的陰極材料，金屬鋰作為陽極材料，制成了一款可在室溫下工作的可充電鋰電池。

不過，當生產計劃開始實施的時候，斯坦利·威廷漢的小組開始遇到困難。他們發現，隨著電池的反復充電，電池會出現短路并一次次引發爆炸。這帶來的直接后果是消防隊一次次出動到他們的實驗室撲滅火災。斯坦利·威廷漢等人還被告知實驗室如果再發生爆炸就要支付撲滅火災所用化學物質的費用。

斯坦利·威廷漢等人在實驗后發現，鋰電池使用的電極材料金屬鋰，是世間最活潑的元素之一，非常容易燃燒。這樣的特性使得生產鋰電池的技術要求非常高。斯坦利·威廷漢只得在金屬鋰電極中加入了鋁，兩個電極之間的電解液也進行了更換。斯坦利·威廷漢等人隨后開始為一家瑞士鐘表商進行小規模生產，他們下一步的目標是擴充電池的容量，以便使其能夠為汽車充電。不過到了1980年代初，石油價格顯著下降，埃克森公司需要削減成本，相關的研究也就停了下來。

這個時候，古迪納夫已經在英國牛津大學擔任無機化學教授。在此之前，他在美國麻省理工學院林肯實驗室工作多年。由于林肯實驗室受空軍資助，不允許做替代能源方面的研究，古迪納夫這才跳了槽。

此時古迪納夫已經了解斯坦利·威廷漢發明的新電池技術。不過，他的專業知識讓他開始往前邁進一大步。他想，如果用金屬氧化物做電池的陰極，就可以提高陰極的電勢。在隨后的一段時間里，他的研究組都在尋找合適的金屬氧化物，直到發現了鈷酸鋰材料——將鈷酸鋰材料用在電池的陰極，電池產生的電壓將可以提升兩倍。另外一項關鍵性發現是，電池并不需要保持在充電狀態下才能生產，但此前電池都是在這種狀態下生產出來的。1980年，古迪納夫對外公布了他們發現的新的陰極材料，分量輕，生產出的電池性能卻更加強勁。這被視為人類進入移動時代的關鍵一步。這時候他已經58歲。

事實上，古迪納夫關于鋰電池的研究并沒有停止。一直到90歲的時候，他還在致力于解決鋰電池的枝晶問題。此時，鋰電池早已成為各大電子消費品的主要組成，但鋰枝晶問題一直是鋰電產業面臨的幽靈問題。枝晶是由于動力學因素鋰金屬表面形成的“小毛刺”，這些小刺會隨著電池的使用逐漸長大，最終會刺破電池正負極之間的隔膜，引發短路，最終導致電池自燃。古迪納夫開始投入到全固態電池研究中去——全固態電池將原先的液態有機電解池換成一種全新的固態電解質，不僅能防止枝晶問題的產生，而且可以保持電池的儲電性能。

與斯坦利·威廷漢、古迪納夫共分諾獎獎金的是日本的化學家吉野彰。吉野彰是旭化成研究員、名古屋明城大學教授。他的貢獻是實現了把純粹的鋰從電池中剝離出來，這使得鋰電池變得更加安全、更適合日常生活中的各種應用。完全基于鋰離子的鋰電池，壽命也變得更長，在充電數百次后性能才會下降。1991年，一家大型日本企業率先開始銷售鋰離子電池，這在電子業引發了一場革命。自此之后，我們的手機體積不斷縮小，便攜電腦的出現也方便了不少。

其實，從鋰電池獲得諾獎這件事情，我們會發現，諾貝爾獎看起來“高艱深”，但其研究成果已經遍布在我們的生活中。

諾獎離我們并不遠，比如說2014年的諾貝爾物理學獎是為了表彰科學家開發了藍光LED技術——采用藍光LED技術的產品進入了千家萬戶，為我們照明;它們又存在我們的手機和相機里。還有1991年的諾貝爾化學獎是頒給了核磁共振成像，我們的心臟、大腦、骨骼的各種診斷都是依賴于這種技術的出現。

摘自《三聯生活周刊》