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清華博士解讀諾貝爾化學獎：鋰電池的發明是人類科學史的一項奇跡

鴻凱智能 2019-10-10 | 閱讀：3612

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電動汽車之所以能夠在百年之后重返歷史舞臺，正是因為鋰離子電池發展史上英雄人物輩出，奇思妙想的劃時代技術突破，力挽狂瀾地給電動汽車續上了命。

2019年10月9日，諾貝爾化學獎揭曉，獲獎者為鋰電池領域的三位學者：約翰-班寧斯特-古迪納夫、惠廷漢姆和日本學者吉野彰。理由是因發展鋰電池領域所做的貢獻。

在頒獎結束之后，清華汽車系博士、知乎答主“張抗抗”第一時間在知乎撰文解讀三位科學家的貢獻、成就。以下為張抗抗撰文全文：

鋰電池的發明并不是人類科技樹的必然結果，而是一項奇跡。

如果沒有M. Stanley Whittingham與John B. Goodenough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。

Goodenough老爺子已經年近百歲，依然奮戰在科研一線，再不給他發個諾貝爾獎可能就來不及了！

他拿這個獎可以說是眾望所歸！為什么這么說呢？來聽聽他們的故事吧！

鋰電池誕生前的電動汽車

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。

后來由于電池技術進步緩慢而被歷史淘汰，墳頭草都有三尺高了！正常來說，一項技術路線被淘汰后，永遠出頭之日，例如液晶電視vs等離子電視。

能量密度，繞不開的“鋰”

1859年，法國人普蘭特于發明經典的鉛酸蓄電池，這是一款非常成功的發明，直到今天還被普遍使用。

鉛酸蓄電池結構

但是，如果把它用到車上，就會暴露出巨大的問題：能量密度太低！

有多低呢？給出下面這張圖來直觀理解：左下角的Lead-Acid就是鉛酸蓄電池，與現在常用的NCM622鋰離子電池相比，重量能量密度與體積能量密度都低4倍左右。

鉛酸電池的能量密度在左下角

汽車的應用場景比較特殊：

一是對體積比較敏感，誰也不想犧牲座艙與后備箱空間來裝電池；

二是對重量比較敏感，若電池能量密度太低，可能就要面臨1噸的車+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，鎳隔電池、鎳氫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。

能量密度為啥低呢？我們知道，電池充放電可以理解為氧化還原反應。

初中化學告訴我們：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；電子很輕倒也沒啥，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5排，有4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：鉛酸電池、鎳隔電池、鎳氫電池的能量密度潛力都是有限的。

為了減少懶漢數量，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。

有分析指出：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，已經用過了，也做不成充電電池，排除。

那么就只剩下鋰、鈹、硼，它們的電子轉移數/原子量分別為14%、22%、28%。再考慮到兩個因素：

鋰電極電勢是全元素周期表最低：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。

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。

可能還有其它因素，但我不清楚。不管怎么說，大家達成了一個共識：在造物主的這個時空次元中，能量密度最高的充電電池，大概率是基于鋰元素做出來的。

惠廷漢姆： “告別化學反應”的鋰離子電池

充電/放電伴隨著化學反應，例如鉛酸蓄電池在充電時：

在上面這個化學反應中，硫酸鉛變成了鉛單質與氧化鉛，意味著化學鍵的斷裂與重組、物質結構的巨大變化。

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。

早期的鋰電池在工作時，也是伴隨著化學鍵的斷裂與重組，這也就是所謂的“鋰轉化”(Conversion)。

負極通常為鋰金屬，發生的反應為：

這不就是導致電動汽車自燃的元兇“鋰枝晶”化學反應嗎？

在當前的鋰離子電池中，鋰枝晶現象僅在超快充、過充等極少數異常情形下才發生，就已經有如此大的危害。

早期鋰電池竟然以“鋰枝晶”為基本反應，把砒霜當成便飯來吃，豈不是非常危險？

事實的確如此，售出數百萬早期鋰電池的加拿大公司Moli Energy，一年之內發生數起安全事故而破產。日本NEC將Moli Energy收購之后研究發現：這種以“鋰枝晶”為基本反應的早期鋰電池，在5000次循環之后幾乎全部出現故障失效與安全事故。

以鋰金屬為負極的鋰電池，安全事故不是偶然是必然，不是個別是全部！這個結論將鋰電池打入冷宮，行業上下一遍悲觀。站在這個時間點，幾乎沒人會相信，幾十年后電動汽車又能重返舞臺。

如果“鋰轉化”(Conversion)的技術路線困難重重，那我們避開不就可以了嗎？說的容易，要知道那時候所有的充電電池，包括鉛酸電池、鎳隔電池、鎳氫電池，都是基于“轉化”(Conversion)反應的！

時代在等待一位英雄，于是M. Stanley Whittingham(邁克爾·斯坦利·惠廷漢姆)出現了！

他指明了除“鋰轉化”(Conversion)之外的另外一個技術路徑：鋰嵌入(Intercalation)。

通俗易懂地講：以特殊的層狀材料作為宿主(hosts)，鋰離子(Li+)作為客人(guests)可以較為隨意地嵌入（Intercalation）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(Intercalation)系統中，鋰離子不必再經歷痛苦的轉化(Conversion)。“告別化學反應”之后，鋰離子變得瀟灑飄逸很多。

當然，必須嚴肅地指出：鋰嵌入(Intercalation)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(Intercalation)帶來很多好處，大大提高了充放電反應的可逆性；也避免使用鋰金屬作為負極，提高了安全性。

從鋰轉化”(Conversion)到鋰嵌入(Intercalation)，是鋰電池的技術革命。因為這個貢獻，惠廷漢姆被稱為“鋰電之父”(Founding Father of rechargeable lithium ion battery)。

最后要提一下的是，鋰嵌入(Intercalation)在電極電勢上占優勢，但在能量密度上占劣勢。

很容易理解，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”(Conversion)的鋰金屬電池技術路線雖然困難重重，但為了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。

Goodenough先生：老驥伏櫪，志在千里

惠廷漢姆指明了鋰嵌入(Intercalation)的技術方向，但距離做出鋰離子電池還有很長的距離。鋰電池歷史上第二位英雄人物出場了，他的名字很特別： John Bannister Goodenough(約翰·班尼斯特·古迪納夫)。

以前讀論文，見到“Goodmann”(好人先生)就已經讓我足夠吃驚了，而這位巨匠的名字明顯更勝一籌：“Goodenough“(足夠好的先生)。

概括一下，Goodenough先生最讓人敬佩的是：年過半百才投入鋰電池研究，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 lattice structure)、尖晶石結構的錳酸鋰(LiMn2O4 spinel structure)、橄欖石結構的磷酸鐵鋰(LiFePO4 olivine structure)。

今年已經98歲，Goodenough先生依然奮戰在科研一線，希望為下一代鋰固態電池做出突破。

推動汽車電動化的其他人物/公司

惠廷漢姆和Goodenough的科研貢獻，奠定了鋰電池大發展的理論與技術基礎。

從歷史的角度來看，鋰電池的大發展光靠科研也不行，還必須依賴產業。產業界也涌現了不少英雄人物，限于篇幅，他們的故事在此只能用一句話概括。

推動汽車電動化的關鍵人物：

本田宗一郎：本田汽車創始人。上世紀70年代，在加州空氣資源委員會推行清潔空氣法案被通用汽車阻撓的時候，發明新型燃燒室技術幫助加州證明法案的合理性，使得排放法案得以繼續推行下去。

姊川文彥：東京電力高管。21世紀初，在美日汽車行業均不看好的環境下，聯合三菱汽車與斯馬魯汽車推行電動車計劃，間接促使日產推出聆風電動汽車。

伊隆馬斯克：與日產聆風幾乎同時，用大規模的松下18650電池成功造出市場歡迎的電動汽車。

推動鋰離子電池商用的關鍵公司：索尼

1991年，索尼發布了第一個商用鋰離子電池，后來被廣泛地用在相機、手機中。

鋰離子電池助力了消費電子行業，改變了整個世界；反過來，消費電子行業的巨大市場，也大大助力了鋰離子電池技術與產業的迅速發展。

如果沒有消費電子行業的助推，在21世紀初的時候，也許根本找不到可以達到電動汽車應用標準的鋰離子電池 —— 消費電子行業助力鋰離子電池從1進步到10，電動汽車行業才有機會在此基礎上繼續推進。