清华大学锂电研究教授张强认为，化学诺奖颁给锂电领域，是对每一位锂电从业者的认可，是对志在继续推动清洁便携能源的人士的激励。
[作者简介]
张强
清华大学化学工程系教授，从事能源材料研究，尤其是金属锂、锂硫电池和电催化的研究。"北京地区广受关注学术论文"化学学科报告人。曾获国家自然科学基金杰出青年基金、2017-2018年科睿唯安全球高被引科学家等。
编辑/吉菁菁 新媒体编辑/陈炫之
2019年10月9日，瑞典皇家科学院宣布，美国德州大学奥斯汀分校约翰·巴尼斯特·古迪纳夫(John B. Goodenough)、美国纽约州立大学宾汉姆分校斯坦利·威廷汉（M. Stanley Whittingham） 和日本旭化成株式会社吉野彰(Akira Yoshino)三人获得2019年诺贝尔化学奖，以表彰他们对锂离子电池研发的贡献（for the development of lithium-ion batteries）。
（图片来源：Associated Press）
三位科学家领衔发展的便携式二次电池，开启了电子设备便携化进程，促进了清洁能源的发展，极大地改变了人们的生活方式。此外，97岁的约翰·巴尼斯特·古迪纳夫教授成为了诺贝尔奖历史上最高龄获奖者。诺贝尔化学奖颁给锂电领域的三位科学家，是对每一位为锂电池从无到有、从实验室走向商业化的做出贡献的锂电从业者的认可，是对仍在从事锂电研究和志在继续推动清洁、便携社会发展的人的激励。
毫无疑问，锂电已经逐渐深入到社会的方方面面，与你我的生活朝夕相处。此次诺贝尔化学奖授予锂电领域的科学家，彰显了锂离子电池作为能源存储器件，有效地满足了人们对美好生活的向往。
20世纪70年代，由石油危机直接促成了锂电池研发的开端。美国石油巨头埃克森公司（Exxon）判断石油资源作为典型不可再生资源，将不久之后面临枯竭，于是组建团队开发下一代替代石化燃料的能源技术。斯坦利·威廷汉提出了一种新的全新的二硫化钛作为正极材料，可以在分子层间储存锂离子。当其与金属锂负极匹配的时，电池电压高达2V。然而，金属锂活性高，导致电池安全风险大。当时在英国牛津大学的无机化学实验室担任主任的古迪纳夫推断，采用金属氧化物替代硫化物作为正极，可以实现更高电压，改善锂离子电池的性能。
1980年，古迪纳夫用钴酸锂作为电池正极，可将电池的电压提高到4V。钴酸锂的横空出世是锂离子电池领域的极大突破，至今仍是便携式电池的主力正极材料。受制于金属锂负极的不稳定特性，当时锂离子电池的安全性仍是严重的问题。
层状结构的钴酸锂（图片来源：知乎）
1985年，吉野彰采用石油焦替换金属锂作为负极，发明了首个可用于商业的锂离子电池。1991年日本索尼公司发布了首个商用锂离子电池。经过三十多年的工业化发展，锂离子电池的能量密度、成本和安全性取得了长足进步，并深入到我们生活的方方面面。正如诺贝尔奖委员会表示，'锂离子电池已经彻底改变了我们的生活，广泛用于从手机到笔记本及当代的电动汽车。他们三位的研究为推动一个无线（可移动），无化石燃料的社会奠定了基础'（Lithium-ion batteries have revolutionised our lives and are used in everything from mobile phones to laptops and eletric vehicles. Through their work, this years' Chemistry Laureates have laid the foundation of a wireless, fossile fuel-free society）。
锂离子电池从基础到广泛应用的成功离不开多学科、多领域、多国家的交叉合作。锂离子电池从原理提出到如今商业化，历经五十多年的路程，其间充满了曲折。锂离子电池是一个涉及物理、化学、材料、能源、控制、信息、电力等领域的交叉体系，通过内部的化学反应实现能源的存储。支撑当代锂电池走入每个人的生活，不仅是科学家原创思想的产生，还有工程人员的研发试制，产业行业的建立和标准确立，终端用户的应用开发和产品推广等多个环节。在以诺贝尔化学奖得主约翰·巴尼斯特·古迪纳夫，斯坦利·威廷汉和吉野彰为代表的广大锂离子电池研究人员的不断交流合作和互相启发下，锂离子电池才能在波折中不断前进。
此次诺贝尔化学奖颁布后，97岁的约翰·巴尼斯特·古迪纳夫教授打破之前阿什金96岁高龄获奖的记录，成为了诺贝尔奖历史上最高龄获奖者。时至今日，古迪纳夫教授仍在孜孜不倦地为锂电的发展做贡献，每天坚持在办公室办公，时常能在办公室听见其爽朗的笑声。他日复一日，希望能研发超级电池。作为一名二战老兵，他不仅为世界和平做出了贡献，也为之后世界的清洁、便携生活做出了卓越的贡献。其贡献不可不为之大，其精神更是值得学习。
古迪纳夫初步计划到102岁再退休。（图片来源：utexas.edu）
时至今日，锂离子电池的发展也逐渐走向成熟，循环寿命、成本、安全性方向都有极大的提升。基于此，便携式设备、电动汽车和储能电站也蓬勃发展，清洁能源的利用更加高效，人们的生活和出行方式极大改变。中国的锂离子电池技术和市场也涌现出一大批具有国际竞争力的新能源企业，如CATL，比亚迪等，在便携式电池和动力电池领域具有更高的话语权，推动美丽中国的建设。
今年的诺贝尔化学奖授予给锂电池领域是对这个行业的巨大的一种肯定，也是对这个行业的一种激励。随着锂电池应用推广，锂电池领域发展还面临了更艰巨的挑战。
受制于锂离子电池原理的限制，现有体系的锂离子电池能量密度从每年7%的增长速率已经下降到2%，并逐渐逼近其理论极限。与之相反，随着社会的进步，人们对便携、清洁的生活的需求更加强烈。如何提出新原理、新体系、新方法实现能量密度更高、更安全、充电更快的储能过程？如何在电子、原子、分子、材料尺度理解储能过程中电极的演变规律？如果锂电池成为未来社会储能的主体，如何结合地球上有限的资源，实现电池的全链条回收和再制造还是悬而未决的挑战。在这样的形势下，涌现出锂硫电池、锂空电池、钠离子电池、钾离子电池、镁离子电池、铝离子电池、锌离子电池、固态电池等许多新体系电池。新材料的产生，也给这些新体系的发展带来了新机遇。
张强团队的论文刊登在能源领域知名期刊《焦耳》（Joule）封面，采用了隐喻的方式表述"复合锂金属负极"设计思想，基于亲锂碳纤维的复合锂金属负极比喻成船，能够在熔融锂的"海洋"中稳定航行（图片来源：清华大学官网）
例如，将纳米碳材料引入到金属锂负极中，能够产生亲锂特性调控金属锂的形核和沉积，提升金属锂负极的利用效率和安全性；复合固态电解质引入二次电池中，带来了锂离子的新输运机制，降低可燃物质的比例，提升了电池的安全性；采用钠、钾、铝、锌等离子并研发其能源化学新原理，有望提出具有独特性质的新型储能器件，有效满足未来社会对于储能设备的新需求。
2019年9月20日，由北京市科学技术协会主办的"北京地区广受关注学术论文系列报告会"化学场上，张强教授做了关于《高安全金属锂负极》的报告。（摄影：张星海）
中、美、日、韩、德、英等国都制定了各自的电池发展战略，以望推动电池原理的创新以及核心技术的开发，支撑当代社会的可持续发展。下一代解决能源存储与转化技术的突破，正在来临的路上。
出品：科普中央厨房
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