為什么諾貝爾發給鋰電池？諾貝爾獎創紀錄了，97歲高齡創諾貝爾獎記錄，這回鋰電池之父贏了。

三位得主均享有鋰電池之父的美譽。在三人研究成果的基礎上，索尼在1991年制出全球第一款商用鋰電池，十幾年間徹底改變了消費電子行業，近年來也應用新能源汽車上。

鋰電池分為兩種：一種是鋰金屬電池，1912年最早由吉爾伯特·牛頓·路易士（Gilbert N. Lewis）提出并研究。另一種鋰離子電池，最早在70年代由惠廷厄姆提出并研究。今天通常所說的鋰電池，基本均為鋰離子電池，今年三位諾獎得主的貢獻也均在這個領域。

北京時間10月9日下午17：45，2019年諾貝爾化學獎揭曉，美國科學家約翰·B·古迪納夫（John B. Goodenough）；英裔美國科學家M·斯坦利·威廷漢（M. Stanley Whittingham）與日本科學家吉野彰（Akira Yoshino）共同獲得此獎，以表彰他們在鋰離子電池領域作出的貢獻；三人均分900萬克朗獎金。

諾獎委員會表示，三位科學家發明了輕便的可攜帶電池，讓人們可以在車和手機中使用，開啟了電子設備便攜化進程。

約翰·B·古迪納夫，美國固體物理學家，是二次電池產業的重要學者。他目前是美國德州大學奧斯汀分校的機械工程和材料科學教授；

M·斯坦利·威廷漢，化學教授，且是紐約州立大學賓漢姆頓大學材料研究所和材料科學與工程專業的主任；

吉野彰，日本化學家，現任旭化成公司研究員、名城大學教授。

2018年10月2日，96歲的物理學家阿瑟·阿什金和另外兩位科學家獲得2018年諾貝爾物理學獎，成為獲獎時年齡最長的諾貝爾獎得主。現在這個記錄被今年的獲獎者約翰·B·古迪納夫打破。

諾貝爾獎的創立者瑞典人阿爾弗雷德諾貝爾本人就是一名化學家，曾發明硝化甘油炸藥。按照他的遺囑，諾貝爾化學獎旨在頒給化學方面有重要發現和取得重大成果的人。
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電池簡史

要想了解他們的貢獻，得先了解一下電池發展里程。

電池的基本原理即是用“活性較高”的金屬材料制作陽極（即負極-），而用較為穩定的材料制作陰極（即正極+），陽極材料由于庫侖力的原因丟失電子（氧化反應），流向陰極使其獲得電子（還原反應），而電池內部（電解液）則發生陰極的陰離子流向陽極與陽離子結合，由此形成回路，產生電能。

也正是因為這種流動本質上是化學反應，所以遵循能量守恒定律。如果對外部用電器（手機、相機等耗電物品）做功了，也就意味著反應產生的能量被用電器“吸收”了，達到相對的平衡。如果沒有用電器，但是回路接通，就意味著能量無處可用，將會變成熱能，且速度非常快，因為電子移動的速度與光速相同，也就是為什么電池發生短路時會劇烈發熱甚至燃燒爆炸。

一旦電池內部化學能量消耗完畢，則電池就沒用了。所以可充電的電池，即是能夠通過外部通電將內部的化學反應“還原”（歸位），也就需要選擇特別的材料和設計，能夠“完美”恢復原樣，使得電池重新獲得化學能量。

（伏特堆電池，圖來自Visual Capitalist）

1799年，意大利物理學家Alessandro Volta發明了第一款電池（Vlotaic Pile 伏特堆），他利用鋅片（陽極）和銅片（陰極）以及浸濕鹽水的紙片（電解液）制成了電池，以證明了電是可以人為制造出來的。

（丹尼爾電池，圖來自Visual Capitalist）

大約40年后，以為英國化學家John Frederic Daniell通過變換電池形式，解決了伏特堆放電時產生的氫氣氣泡問題（由于發生化學反應產生了氫氣，從而導致電池內部接觸不良），此時電池可以達到1V電壓。

（鉛酸電池，圖來自Visual Capitalist）

1850年，法國物理學家Gaston Planté發明了鉛酸電池（陽極為鉛、陰極為鉛氧化物、硫酸溶液為電解質），利用鉛不僅僅做到了極低的成本，還能夠提供12V的電壓，且能夠充電循環使用。這類電池被廣泛使用，車載蓄電池、早期電動車等都采用這類電池，截止2014年，全球約售出了4470萬塊鉛酸電池。

（鎳鎘電池，圖來自Visual Capitalist）

1899年，瑞典人Waldemar Jungner發明了鎳鎘電池（鎳為陰極、鎘為陽極，采用液體電解液），也就是小時候經常會用到的隨身聽、四驅車所用的充電電池，為現代電子科技打下了基礎。不過這類電池有個巨大的缺點，也就是老一輩人經常會告訴你充電池必須用完才能充電的原因，由于其化學特性的原因，如果未用完電量就充電，會發生“鎘中毒”現象，導致電池“記憶”了“最低電量”，導致下次充滿電量縮小，所以漸漸就被市場淘汰了。

（堿性電池，圖來自Visual Capitalist）

1950之后，加拿大工程師Lewis Urry發明了現在非常常見的堿性電池（鋅為陽極、鎂氧化物為陰極，氫氧化鉀為電解液，也就是堿性電池名字來源），就是平時生活中常用的一次性電池，絕大多數都是不可充電的，當然也有特殊設計的堿性電池能夠充電，甚至還能夠通過按壓電池表面顯示當前電量。全球售出超過100億顆。

（鎳氫電池，圖來自Visual Capitalist）

1989年，第一款商業鎳氫電池問世（陽極為金屬氫化物或儲氫合金、陰極為氫氧化鎳），耗時超過20年研發，由戴姆勒-奔馳和德國大眾贊助。通過新的配方，鎳氫電池相較于鎳鎘電池提高了能量密度，并且污染減少。更重要的一點，鎳氫電池沒有“記憶效應”，所以不必像鎳鎘電池一樣擔心使用問題。除了大量被使用于數碼產品之外，還被早期的豐田Prius混動車所采用。

（鋰離子電池，圖來自Visual Capitalist）

1991年，索尼公司推出了第一款商業鋰離子電池（陽極為石墨，陰極為鋰化合物，電極液為鋰鹽溶于有機溶劑），由于鋰電池的高能量密度和配方不同能夠適應不同使用環境的特點，被現在廣泛使用。

（左側縱向為電流、右側為單位功率、橫向為能量密度）

上述多種電池歷經200年歷史才走到鋰電池階段，其目的就是為了更為輕便、小巧、能量更高，期間很多人為此付出了巨大的努力。

諾貝爾化學獎

鋰元素是由Johan August Arfwedson于1817年發現的。鋰的特性決定了它非常適合做高能量密度、高電壓的電池。

但是由于鋰活性過于高，所以遇到水或者空氣都可能發生劇烈反應以至于燃燒和爆炸，如何“馴服”它成為了電池發展的關鍵。此外，鋰作為陽極時無可厚非的了，但是如何尋找一種適合作陰極的材料成為了研究著正向追逐的目標。

（鋰遇到水發生劇烈反應）

1970年代爆發過一次石油危機，M·斯坦利·威廷漢（M. Stanley Whittingham）決定致力于研發新的能源科技擺脫石油的束縛。

M·斯坦利·威廷漢（M. Stanley Whittingham）

一開始他專注于研究超級導體，然而偶然發現了一種蘊含巨大能量的物質，可以作為鋰電池的陰極。

經過多年的實驗和研究，M·斯坦利·威廷漢最終采用用硫化鈦鋰（LixTiS2）作為鋰電池的陰極材料，金屬鋰作為陽極材料，制成了一款鋰電池。其電壓可達到2.5V，并且在幾乎不損失電量情況下循環1100次。但是，由于陽極材料中含有金屬鋰，而它活性太高，該電池非常不穩定，容易發生燃燒或爆炸情況。

（鋰枝晶現象）

那時，“大哥大”使用的就是這種電池，持有該技術的加拿大公司Moli Energy，將產品問世不到半年，就因為起火爆炸問題而全球召回，從此一蹶不振，后來被日本NEC公司收購。但NEC公司經過幾年的檢測和摸索，終于弄清楚了出現問題的主要原因，在使用過程，陽極材料金屬里會發生“鋰枝晶”現象，使得陽極材料變形導致可能碰到陰極材料引起短路。雖然找到了原因，但卻遲遲不得解決辦法。

所以這款電池在商用研發的道路上，遇到了巨大障礙。

出現問題后，科學家們想起了1938年Rüdorff提出的理論，“離子轉移電池”方法（ion transfer cell configuration）。于是決定采用一種材料可以替代金屬鋰作為陽極材料——石墨，陽極材料的目的就釋放電子，而石墨的特性可以使電子儲存在碳元素之間，雖然石墨相較于金屬鋰活性（儲存電子能力）差一些，但是更加安全。

基于此發展，約翰·B·古迪納夫（John B.Goodenough）也在研究陰極材料的改善，他預測氧化鋰化合物比硫化鋰化合物要更為合適。

約翰·B·古迪納夫（John B.Goodenough）

在經過一系列的實驗研究后，1980年，古迪納夫想外界展示了鈷酸鋰（LixCoO2）作為陰極的鋰電池。

由于采用了石墨作為陽極，這款電池部分解決了“鋰枝晶”現象，防止了內部短路現象，又因為其陰極材料的選取，將電壓提高至4V（甚至可以達到5V），總體來說相較于威廷漢的鋰電池性能好很多、安全很多。

由于該思路過于前衛，又或者是Moli Energy的教訓太過于慘痛，當時沒有任何一家企業敢接古迪納夫的發明，甚至自己的母校牛津大學都不愿意為其申請專利。但索尼公司伸出了橄欖枝，將其技術應用于生產，幫助索尼一躍成為鋰電池行業老大。

然而有一位科學家認為這還不夠，日本的吉野彰（Akira Yoshino）以古迪納夫的鋰電池為基礎，將陽極材料從石墨改為了石油焦。

吉野彰（Akira Yoshino）

雖然同為碳元素組成，但是以此達到了輕量化和耐久性。這款電池能夠充放電幾百次也不失去性能。

其實從古迪納夫開始，這兩種鋰電池已經不是化學反應產生的電能，而是“單純”的陰陽極之間的電子流動產生的，而這種能量純粹來自于外界充入的“過量”電子，存貯于兩極之間，用于做功，所以其實這兩款并不叫鋰電池，而是鋰離子電池（Lithium-ion）。

鋰電池的未來

從1991年鋰電池問世以來，已經經歷了很多的變化，但基本上都是基于上述三位的研究成果而來。從小處看，鋰電池為方便生活、豐富生活提供了可能，從長遠看，未來使用可持續能源，例如風電、水電、太陽能是趨勢，鋰電池作為儲能設備，能夠將這些能源保存起來，并在需要時候使用，使得發電裝置“去中心化”。（綜合自虎嗅）