清华博士解读诺贝尔化学奖锂电池的发明是人类科学史的一项奇迹

电动轿车之所以能够在百年之后重返前史舞台，正是由于锂离子电池开展史上英豪人物辈出，奇思妙想的划年代技能打破，力挽狂澜地给电动轿车续上了命。

2019年10月9日，诺贝尔化学奖揭晓，获奖者为锂电池范畴的三位学者：约翰-班宁斯特-古迪纳夫、惠廷汉姆和日本学者吉野彰。理由是因开展锂电池范畴所做的奉献。

在颁奖完毕之后，清华轿车系博士、知乎答主“张抗抗”第一时刻在知乎撰文解读三位科学家的奉献、成果。以下为张抗抗撰文全文：

锂电池的创造并不是人类科技树的必定结果，而是一项奇观。

假如没有M. Stanley Whittingham与John B. Goodenough英豪史诗一般的奉献，或许咱们现在还生活在一个没有锂电池的国际里。

Goodenough老爷子现已年近百岁，仍然奋战在科研一线，再不给他发个诺贝尔奖或许就来不及了！

他拿这个奖能够说是人心所向！为什么这么说呢？来听听他们的故事吧！

锂电池诞生前的电动轿车

电动轿车的创造其实比内燃机轿车更早，直到1912年还在商场份额上占有优势。

后来由于电池技能进步缓慢而被前史筛选，坟头草都有三尺高了！ 正常来说，一项技能道路被筛选后，永久出头之日，例如液晶电视vs等离子电视。

电动轿车之所以能够在百年之后重返前史舞台，正是由于锂离子电池开展史上英豪人物辈出，奇思妙想的划年代技能打破，力挽狂澜地给电动轿车续上了命。

能量密度，绕不开的“锂”

1859年，法国人普兰特于创造经典的铅酸蓄电池，这是一款十分成功的创造，直到今日还被遍及运用。

铅酸蓄电池结构

可是，假如把它用到车上，就会暴露出巨大的问题：能量密度太低！

有多低呢？ 给出下面这张图来直观了解：左下角的Lead-Acid便是铅酸蓄电池，与现在常用的NCM622锂离子电池比较，分量能量密度与体积能量密度都低4倍左右。

铅酸电池的能量密度在左下角

轿车的运用场景比较特别：

一是对体积比较灵敏，谁也不想献身座舱与后备箱空间来装电池；

二是对分量比较灵敏，若电池能量密度太低，或许就要面对1吨的车+2吨的电池才能跑500公里的困境，这不只不经济，从环保的视点来说也是不可承受的！

与铅酸蓄电池类似，镍隔电池、镍氢电池的能量密度也没改进多少。若没有新的高能量密度电池，电动轿车将永无出头之日。

能量密度为啥低呢？咱们知道，电池充放电能够了解为氧化复原反响。

初中化学告知咱们：化学性质主要由最外层的电子决议，内层电子都是光吃饭不干活；电子很轻倒也没啥，但为了电荷平衡，不干活的内层电子也需求配上很重的质子。

翻开元素周期表，简单找到铅(Pb)在第5排，有4层不干活的电子；镍(Ni)在第4排，有3层不干活的电子。这就从原子的视点决议了：铅酸电池、镍隔电池、镍氢电池的能量密度潜力都是有限的。

为了削减懒汉数量，进步全体功率，咱们仍是从元素周期表的前2行来找找潜力股：氢氦锂铍硼、碳氮氧氟氖。

有剖析指出：氧与氟都是氧化剂，扫除；氦、氖、氮都是慵懒或准慵懒气体，扫除；碳和氢其实便是石油，现已用过了，也做不成充电电池，扫除。

那么就只剩余锂、铍、硼，它们的电子搬运数/原子量分别为14%、22%、28%。再考虑到两个要素：

锂电极电势是全元素周期表最低：做成电池后电压最高；若搬运平等数量电子(电流相同)，对应的功率也最高。

锂元素的储量比较高：地壳中锂元素的丰度比铍和硼要高一个数量级。

或许还有其它要素，但我不清楚。不管怎么说，咱们达成了一个一致：在造物主的这个时空次元中，能量密度最高的充电电池，大概率是根据锂元素做出来的。

惠廷汉姆： “离别化学反响”的锂离子电池

充电/放电伴随着化学反响，例如铅酸蓄电池在充电时：

在上面这个化学反响中，硫酸铅变成了铅单质与氧化铅，意味着化学键的开裂与重组、物质结构的巨大变化。

关于物质结构，咱们了解的别的一个比如便是不同结构的碳：金刚石、石墨、C60、碳纳米管。

前期的锂电池在作业时，也是伴随着化学键的开裂与重组，这也便是所谓的“锂转化”(Conversion)。

负极一般为锂金属，发作的反响为：

这不便是导致电动轿车自燃的首恶“锂枝晶”化学反响吗？

在当时的锂离子电池中，锂枝晶现象仅在超快充、过充等极少数反常景象下才发作，就现已有如此大的损害。

前期锂电池居然以“锂枝晶”为底子反响，把砒霜当成便饭来吃，岂不是十分风险？

现实确实如此，售出数百万前期锂电池的加拿大公司Moli Energy，一年之内发作数起安全事故而破产。日本NEC将Moli Energy收买之后研讨发现：这种以“锂枝晶”为底子反响的前期锂电池，在5000次循环之后简直悉数呈现毛病失效与安全事故。

以锂金属为负极的锂电池，安全事故不是偶尔是必定，不是个别是悉数！这个定论将锂电池打入冷宫，职业上下一遍失望。站在这个时刻点，简直没人会信任，几十年后电动轿车又能重返舞台。

假如“锂转化”(Conversion)的技能道路困难重重，那咱们避开不就能够了吗？ 说的简单，要知道那时分一切的充电电池，包含铅酸电池、镍隔电池、镍氢电池，都是根据“转化”(Conversion)反响的！

年代在等候一位英豪，所以M. Stanley Whittingham(迈克尔·斯坦利·惠廷汉姆)呈现了！

他指明晰除“锂转化”(Conversion)之外的别的一个技能途径：锂嵌入(Intercalation)。

通俗易懂地讲：以特别的层状资料作为宿主(hosts)，锂离子(Li+)作为客人(guests)能够较为随意地嵌入（Intercalation）或脱出，底子不影响宿主的物质结构。

正负极资料均为好客的宿主，锂离子能够来去自如

在锂嵌入(Intercalation)体系中，锂离子不用再阅历苦楚的转化(Conversion)。“离别化学反响”之后，锂离子变得洒脱潇洒许多。

当然，有必要严厉地指出：锂嵌入(Intercalation)中锂离子看起来仅发作了物理运动，但本质上仍然是化学反响。

锂嵌入(Intercalation)带来许多优点，大大进步了充放电反响的可逆性；也防止运用锂金属作为负极，进步了安全性。

从锂转化”(Conversion)到锂嵌入(Intercalation)，是锂电池的技能革命。由于这个奉献，惠廷汉姆被称为“锂电之父”(Founding Father of rechargeable lithium ion battery)。

最终要提一下的是，锂嵌入(Intercalation)在电极电势上占优势，但在能量密度上占下风。

很简单了解，若以锂金属作为负极贮存锂离子，那资料利用率必定很高。正由于如此，根据锂转化”(Conversion)的锂金属电池技能道路尽管困难重重，但为了更高能量密度的锂电池，现在科学家们仍是硬着头皮前仆后继地投入研讨。

Goodenough先生：老骥伏枥，志在千里

惠廷汉姆指明晰锂嵌入(Intercalation)的技能方向，但间隔做出锂离子电池还有很长的间隔。锂电池前史上第二位英豪人物进场了，他的姓名很特别： John Bannister Goodenough(约翰·班尼斯特·古迪纳夫)。

曾经读论文，见到“Goodmann”(好人先生)就现已让我满足吃惊了，而这位大师的姓名显着更胜一筹：“Goodenough“(满足好的先生)。

归纳一下，Goodenough先生最让人敬仰的是：年过半百才投入锂电池研讨，以一己之力发现了大部分要害正极资料：层状结构的钴酸锂(LiCoO2 lattice structure)、尖晶石结构的锰酸锂(LiMn2O4 spinel structure)、橄榄石结构的磷酸铁锂(LiFePO4 olivine structure)。

本年现已98岁，Goodenough先生仍然奋战在科研一线，期望为下一代锂固态电池做出打破。

推动轿车电动化的其他人物/公司

惠廷汉姆和Goodenough的科研奉献，奠定了锂电池大开展的理论与技能根底。

从前史的视点来看，锂电池的大开展光靠科研也不可，还有必要依靠工业。工业界也出现了不少英豪人物，限于篇幅，他们的故事在此只能用一句话归纳。

推动轿车电动化的要害人物：

本田宗一郎：本田轿车创始人。上世纪70年代，在加州空气资源委员会推广清洁空气法案被通用轿车阻遏的时分，创造新式燃烧室技能协助加州证明法案的合理性，使得排放法案得以持续推广下去。

姊川文彦：东京电力高管。21世纪初，在美日轿车职业均不看好的环境下，联合三菱轿车与斯马鲁轿车推广电动车方案，直接促进日产推出聆风电动轿车。

伊隆马斯克：与日产聆风简直一起，用大规模的松下18650电池成功造出商场欢迎的电动轿车。

推动锂离子电池商用的要害公司：索尼

1991年，索尼发布了第一个商用锂离子电池，后来被广泛地用在相机、手机中。

锂离子电池助力了消费电子职业，改变了整个国际；反过来，消费电子职业的巨大商场，也大大助力了锂离子电池技能与工业的迅速开展。

假如没有消费电子职业的助推，在21世纪初的时分，或许底子找不到能够到达电动轿车运用规范的锂离子电池 —— 消费电子职业助力锂离子电池从1进步到10，电动轿车职业才有时机在此根底上持续推动。

对电动轿车的开展来说，索尼也功不可没。可悲的是，现在锂电职业已没有索尼的身影：索尼总是超前地做出冷艳的产品与技能，但无法坚持到吃到胜利果实的一天。

小结

在轿车的AI(自动驾驶)、Connectivity（智能互联）与e-tron(电力驱动)三个趋势中，电力驱动技能给人心理上的冲击，或许没有自动驾驶那么大，猛一看显得不算是“划年代“的打破。

今日，咱们现已习惯了锂离子电池技能带来的便当，觉得这项技能稀松往常，没什么特别；可是，穿越到20世纪70年代，假如你说锂离子电池将大规模运用于消费电子与轿车职业，咱们或许会觉得你是个疯子！

类比地，今日咱们觉得自动驾驶技能惊骇尘俗，但在30年后的人们眼中，或许也觉得这仅仅稀松往常的技能，没什么特别。所以，咱们不能凭仗片面上的冲击力来判别哪项技能“划年代“，哪项技能很一般，而应该站在前史的长周期视点来判别。

假如站在前史的长周期视点来看，锂电池开展史，是人类不断寻求可充电电池理论极限的科技史。电力驱动的锂离子电池要害技能的兴起，依靠于科研界与工业界的一起立异，过程中英豪故事不计其数，才在极点晦气的景象下找到一个打破口，协助电动轿车百年之后重返前史舞台。

这简直便是一个奇观，称之为“划年代“并不夸大。

本文摘自：https:///question/349705396/answer/851070593