鋰電池：你手里的諾貝爾獎

張抗抗

2019年10月9日，瑞典皇家科學院宣布，將2019年諾貝爾化學獎授予約翰·巴尼斯特·古迪納夫（John B. Goodenough）、斯坦利·惠廷厄姆（Stanley Whittingham）和日本的吉野彰（Akira Yoshino），以表彰他們在鋰電池發展上做出了杰出貢獻。如果沒有這些科學家英雄史詩一般的貢獻，也許我們現在還生活在一個沒有鋰電池的世界里。快來聽聽他們的故事吧！

鋰電池誕生的前夜

雖說現在我們把電動汽車歸類為新能源汽車的一種，但同學們可能不知道的是，電動汽車的發明其實比內燃機汽車更早，直到1912年還在市場份額上占有優勢，但后來由于電池技術進步緩慢，電動汽車逐漸被歷史淘汰。

1912年的電動汽車廣告

正常來說，一項技術被淘汰后，往往會被其他技術徹底代替，例如液晶電視和顯像管電視。電動汽車之所以能夠在百年之后重返歷史舞臺，正是因為鋰電池發展史上英雄人物輩出，他們的奇思妙想帶來了許多劃時代的技術突破。

1859年，法國人普蘭特發明了經典的鉛酸蓄電池，這是一款非常成功的發明，直到今天還被普遍使用。但是，如果把它用到電動汽車上，就會暴露出巨大的問題：能量密度太低。誰也不想犧牲座艙與后備廂空間來裝電池，也不想面臨1噸的車加上2噸的電池才能跑500公里的窘境，這不僅不經濟，從環保的角度來說也是不可接受的。與鉛酸蓄電池相似，鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池的能量密度也沒改善多少。若沒有新的高能量密度電池，電動汽車將永無出頭之日。

鉛酸蓄電池的能量密度為什么低呢？我們知道，電池充放電可以理解為氧化還原反應。化學知識告訴我們：化學性質主要由最外層的電子決定，內層電子都是“光吃飯不干活”;電子很輕倒也沒什么，但為了電荷平衡，不干活的內層電子也需要配上很重的質子。

打開元素周期表，容易找到鉛（Pb）在第6排，有5層不干活的電子;鎳（Ni）在第4排，有3層不干活的電子。這就從原子的角度決定了鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池的能量密度潛力都是有限的！為了減少“懶漢”的數量，提高整體效率，我們還是從元素周期表的前2行來找找潛力股：氫氦鋰鈹硼、碳氮氧氟氖。氧與氟都是氧化劑，排除;氦、氖、氮都是惰性或準惰性氣體，排除;碳和氫其實就是石油的主要組成元素，也暫時沒有辦法做成充電電池，排除。

那么就只剩下鋰、鈹、硼了，為什么首選鋰呢？第一，鋰電極電勢是全元素周期表中最低的，做成電池后電壓最高;若轉移同等數量電子（電流相同），對應的功率也最高。第二，鋰元素的儲量比較高，地殼中鋰元素的豐度比鈹和硼要高一個數量級。

“告別化學反應”的鋰離子電池

充電或放電過程伴隨著化學反應，例如鉛酸蓄電池在充電時：2PbSO4+2H2O=PbSO2+2H2SO4+Pb，在這個化學反應中，硫酸鉛變成了鉛單質、硫酸與硫代硫酸鉛，意味著化學鍵的斷裂與重組，物質結構發生巨大變化。關于物質結構，大家熟悉的另外一個例子就是不同結構的碳：金剛石、石墨、C60、碳納米管。（考考你：石墨變成金剛石，是物理反應還是化學反應？）

早期的鋰電池負極通常為鋰金屬，在工作時伴隨著化學鍵的斷裂與重組（也就是所謂的“鋰轉化”），很容易發生“鋰枝晶”，這就是導致手機自燃的元兇——鋰離子在負極表面富集后堆積形成的類似樹枝狀的鋰枝晶，往往會刺穿整個電池的隔膜（分離正負極的絕緣層），從而引發自燃、爆炸。

在現代的鋰離子電池中，鋰枝晶現象僅在超快充、過充等極少數異常情形下才發生，而早期的鋰電池還不具備相應的保護技術，可以說是相當的危險。因此，鋰電池被打入冷宮，行業上下普遍持悲觀態度。在這個時間點上，幾乎沒人會相信，幾十年后它又能重返舞臺。如果“鋰轉化”的技術路線困難重重，那我們避開不就可以了嗎？說得容易，要知道那時候所有的充電電池，包括鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池，可都是基于相同反應原理的。

時代在等待一位英雄，于是斯坦利·惠廷厄姆出現了，他指明了除“鋰轉化”之外的另外一個技術路徑：鋰嵌入。通俗易懂地講，就是以特殊的層狀材料作為宿主，鋰離子（Li+）作為“客人”可以較為隨意地嵌入或脫出，基本不影響宿主的物質結構。

正、負極材料均為“好客”的宿主，鋰離子可以來去自如

在鋰嵌入系統中，鋰離子不必再經歷痛苦的轉化。“告別化學反應”之后，鋰離子變得“瀟灑飄逸”很多。當然，雖然鋰嵌入中鋰離子看起來僅發生了物理運動，但本質上依然是化學反應。鋰嵌入帶來了很多好處，大大提高了充放電反應的可逆性，同時避免了使用鋰金屬作為負極，提高了安全性。從鋰轉化到鋰嵌入，是鋰電池的技術革命。因為這個貢獻，惠廷厄姆被稱為“鋰電之父”，而將負極材料替換為鋰嵌入機理的石墨碳的關鍵人物，正是獲得本次諾貝爾獎的吉野彰。

·牛刀小試·

某電動汽車配載一種可充放電的鋰離子電池。放電時電池的總反應為：Li1-xCoO2+LixC6=LiCoO2+C6（x<1）。下列關于該電池的說法不正確的是（ ）

A.放電時，Li+在電解質中由負極向正極遷移

B.放電時，負極的電極反應式為LixC6-xe-=xLi++C6

C.充電時，若轉移1 mol e-，石墨（C6）電極將增重7x g

D.充電時，陽極的電極反應式為LiCoC2-xe-=Li1-x

CoO2+xLi+

解析：電池放電時，負極反應式：LixC6-xe-=xLi++C6，結合電池總反應式可知，正極反應式為：Li1-xCoO2+xLi++xe-=LiCoO2。充電時，石墨電極反應式為xLi++C6+xe-=LixC6，轉移1 mol e-，石墨電極將增重7g。由以上分析可知A、B、D項說法正確，C項說法不正確。

另外要提一下的是，鋰嵌入在電極電勢上占優勢，但在能量密度上占劣勢。若以鋰金屬作為負極儲存鋰離子，那材料利用率肯定很高。正因為如此，基于鋰轉化的鋰金屬電池技術路線雖然困難重重，但為了獲得更高能量密度的鋰電池，現在科學家們還是硬著頭皮前仆后繼地投入研究。

老驥伏櫪，志在千里

惠廷厄姆指明了鋰嵌入的技術方向，但距離做出鋰離子電池還有很長的距離。鋰電池歷史上第三位英雄人物出場了，他的名字很特別：約翰·巴尼斯特·古迪納夫（John B. Goodenough），昵稱為“足夠好先生”。最讓人敬佩的是，“足夠好先生”是年過半百才投入鋰電池研究的，卻以一己之力發現了大部分關鍵正極材料：層狀結構的鈷酸鋰（LiCoO2）、尖晶石結構的錳酸鋰（LiMn2O4）、橄欖石結構的磷酸鐵鋰（LiFePO4）。

獲得諾貝爾獎時，雖然古迪納夫先生已經年近百歲，但依然奮戰在科研一線，希望為下一代鋰固態電池做出突破。惠廷厄姆、古迪納夫和吉野彰的科研貢獻，奠定了鋰電池大發展的理論與技術基礎。需要說明的是，為敘事方便、控制篇幅，本文未嚴格按時間先后順序講述，同時也省略了大量細節與一些做出重大貢獻的科學家，這并不代表故意漠視他們的貢獻。

結語

今天，我們已經習慣了鋰電池帶來的便利，我們的智能手機必須有鋰電池才能用，諾貝爾獎的成果就藏在我們每個人的手中。鋰電池的發展史，是人類不斷追求可充電電池理論極限的科技史。電子設備的智能化，導致了其耗電量也在不斷增加，現有的鋰電池技術已逐漸不能滿足我們的需求。隨著石墨烯、納米材料、超級電容等新技術的不斷發展，相信在不久的將來，科學家們會找到下一個突破口，讓我們的生活再一次徹底改變。