化學×物理

■ 文/ ChenyuZHU

鋰電池獲諾貝爾獎：比你出生還早的它，紅得太晚

鋰電池不是什么新鮮玩意兒，手機、筆記本電腦、相機、移動充電寶……我們早就熟悉了它的存在，可為什么最近才讓人家走上“池生巔峰”，獲得諾貝爾獎？

日本東京，2019年諾貝爾化學獎得主吉野彰（Akira Yoshino）在抵達日本旭化成株式會社（Asahi Kasei）時受到公司員工的熱情歡迎。

“鋰”是誰

你可以不看電視，不用電腦，但你能不刷手機嗎？如果答案是否定的，就請趕快叩謝一直給手機續航的鋰電池君吧。沒有它，你的手機不是重如磚石，就是廢鐵一塊。

“老鋰”獲獎的消息刷爆了我們的屏。很多人納悶，為什么要給自己的老熟人鋰電池頒諾獎。要回答這個問題，首先得明白“鋰”是誰。

打開元素周期表，鋰元素排在第三位，是所有金屬中原子半徑最小的，理論上作為電池的電極材料可以擁有很高的能量密度，也就是持久耐用，比其他電極材料都要更長情。但同時，它位于元素周期表第一主族，屬于化學性質非常活潑的金屬，可不是你想駕馭就駕馭得了的！

第一任老父親

不少科學家在研發電池這條路上跌跌撞撞，踟躕不前，時代在等待一位電池英雄誕生，而這個人就是前不久諾貝爾化學獎得主之一邁克爾·斯坦利·惠廷漢姆。

上世紀70年代，他在埃克森美孚公司的資助下，研究出第一代鋰離子電池。在這種電池中，鋰離子可以通過電解液嵌入層狀結構的二硫化鈦中產生電能（我知道你看不懂這句話，不重要），并且這個過程是可逆的，因此可以反復充電放電。于是，我們終于看到了新型電池的曙光。

惠廷漢姆發明的鋰離子電池在化學原理上沒有問題，奠定了鋰電池的第一個里程碑，但萬萬沒想到卻被兩個物理問題拖了后腿：在電池充電放電過程中，電池負極會長出樹狀的鋰晶體，隨著時間的推移，它會越長越大，最后刺破電池內部隔膜導致正負極短路。新聞里的“手機爆炸”往往都是這個原因導致的，這種電池就像一顆隨時會爆炸的炸彈；另外，硫化鈦正極材料本身存在缺陷，在充電過程中，它會不斷從正極往負極移動，最終使得正極材料的身體被掏空，結構崩塌導致電池損壞。

隨時可能爆炸，使用期有限，這樣的鋰離子電池就問你敢用不敢用！銷量慘兮兮，導致投入巨大的埃克森美孚公司虧損嚴重。但惠廷漢姆的研究為后人改進鋰電池奠定了基礎。

第二任老父親

解決正極材料問題的是和惠廷漢姆一起分享化學獎的另一位得主——固體物理學家約翰·古迪納夫。正如其名，“足夠好（古迪納夫音譯Goodenough）”先生把鋰離子電池升級到了足夠好。

經過他的不懈研究，最終找到了新的正極材料——鈷酸鋰和鎳酸鋰，用于代替第一代的二硫化鈦。這兩種材料解決了正極的崩塌問題。但由于第一代鋰離子電池的失敗，導致埃克森美孚公司蒙受巨大損失，業界對古迪納夫的研究并不看好。就在大多數人對鋰離子電池已經不抱希望的時候，工學教授吉野彰站了出來。

第三任老父親

遠在日本研發鋰離子電池的他，在當時已經找到了石墨這一優秀的電池負極材料，可以說，與古迪納夫的研究一拍即合。在看到古迪納夫的研究后，他利用鈷酸鋰作為正極材料，石墨作為負極材料，做出了世界上第一塊真正可以應用到電子產品中的鋰離子電池，并在1991年，與索尼公司合作，生產出了第一款使用鋰離子電池的“大哥大”手機。隨后，帶有鋰離子電池的智能手機、無人機、智能手表等相繼問世。

惠廷漢姆開了鋰離子電池研究的先河，古迪納夫讓鋰離子電池更加穩定高效，吉野彰在鋰離子電池不被看好時力挽狂瀾，三位科學家由于他們的杰出貢獻被稱為“鋰離子之父”。

欠你一座諾貝爾獎

嗯！他們真厲害。所以諾獎評委早干啥去了，最近才想起給三位偉大的老父親頒個獎。真的是他們太健忘嗎？這就得說說鋰離子電池對近年來大熱的新能源汽車的影響了。

大部分人出生后看見的第一輛車是內燃機汽車。但你知道嗎，電動汽車的發明其實比內燃機汽車更早。

1912年之前，電動汽車一直在市場份額上占有優勢，后來，由于電池技術落后，不爭氣的電動汽車被歷史涼涼，墳頭草都長了三尺高。就像數碼音樂K.O掉了音樂磁帶。

本以為電動汽車永無出頭之日，沒想到，因為鋰離子電池發展史上英雄輩出，電動汽車又被重新續了命。

我們總在提倡綠色出行，愛護環境，而內燃機汽車帶來的污染，已經大到整個世界都無法忽視。新能源汽車簡直承載了地球的希望！

如今，電動汽車又叫新能源汽車，路上“突突”駛過的綠牌車就是它本車無疑了。

鋰電池君加油呀

或許沒有鋰電池的革新，我們也會試著重啟電動汽車，不過路上的畫風也許是這樣的：一輛五座汽車只有前排兩座坐人，后排囤著一塊兩噸重的電池，于是你在路邊揮一揮衣袖，叫了聲“taxi”，然后，一噸重的車加掛兩噸重的電池馳騁在路上的畫面，讓你成為整條路上最拉風的仔。

不可接受！還好有鋰電池斷了這些可怕畫面的路。

新能源汽車解決了汽車尾氣對環境的污染，同時降低使用成本，還能讓出行變得更便捷。或許在未來世界，我們不僅有路上跑的新能源汽車，還有空中飛的新能源飛機、海里行駛的新能源游船……鋰電池推動了世界的發展，這個理由足以向所有人宣告“不以時間論英雄，三位‘鋰離子之父’獲諾獎實至名歸”。