劉楊，劉文博，鄭鋒，顏蔚，張久俊?

①上海大學(xué) 可持續(xù)能源研究院/理學(xué)院，上海 200444；②上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444

2019年10月9日，瑞典皇家科學(xué)院將今年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給對(duì)鋰電池的研究開發(fā)有卓越貢獻(xiàn)的三位科學(xué)家：紐約州立大學(xué)Binghamton分校的M. Stanley Whittingham教授、美國(guó)德州大學(xué)奧斯汀分校的John B. Goodenough教授及日本旭化成公司化學(xué)家Akira Yoshino(圖1)。這一獎(jiǎng)項(xiàng)頒發(fā)給鋰電池界的三位“教父”實(shí)至名歸，是對(duì)鋰電池行業(yè)的肯定與激勵(lì)。接下來(lái)，讓我們一起致敬三位諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者，品讀三位主角的傳奇人生。

1 Stanley Whittingham

1941年出生于英國(guó)的Stanley Whittingham教授(圖2)，于1968年在牛津大學(xué)化學(xué)系取得博士學(xué)位，接著在斯坦福大學(xué)開展博士后工作，隨后進(jìn)入?？松?Exxon)的研發(fā)部門工作到1984年。1984年至今，他在美國(guó)紐約州立大學(xué)賓漢姆頓校區(qū)(State University of New York at Binghamton)化學(xué)系和材料科學(xué)工程系擔(dān)任教授。由于在鋰離子電池領(lǐng)域所作出的開拓性貢獻(xiàn)，Whittingham教授于2004年被授予電化學(xué)學(xué)會(huì)電池研究獎(jiǎng)，2010年被授予美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)-化學(xué)科學(xué)成就NERM獎(jiǎng)，2012年被授予國(guó)際電池協(xié)會(huì)頒發(fā)的Yeager獎(jiǎng)。2015年，他被授予NAAbatt獎(jiǎng)，當(dāng)年還被湯森路透(Thomson Reuters)預(yù)測(cè)為諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的候選人。2018年，Whittingham當(dāng)選為美國(guó)國(guó)家工程院院士，并在第四屆國(guó)際電化學(xué)能源科學(xué)與技術(shù)大會(huì)上被授予國(guó)際電化學(xué)能源科學(xué)院(IAOEES)終身榮譽(yù)主席職位以及終身成就獎(jiǎng)，以表彰他在電化學(xué)儲(chǔ)能方面的貢獻(xiàn)。

20世紀(jì)70年代，人們普遍認(rèn)為地球的化石能源儲(chǔ)備將要枯竭，促使全球能源公司竭盡全力尋找化石能源的替代品。在埃克森美孚公司，科學(xué)家被賦予了極大的自由度來(lái)探索替代能源，而M. Stanley Whittingham的團(tuán)隊(duì)對(duì)新型電池技術(shù)產(chǎn)生了濃厚的興趣。

當(dāng)時(shí)的人們已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)到鋰作為能源材料的潛力，但這種類型的電池所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)卻是巨大的。鋰金屬很容易與水發(fā)生爆炸性反應(yīng)，在空氣中可被劇烈氧化。Stanley Whittingham及其同事證明鋰可以在化學(xué)計(jì)算范圍內(nèi)以一個(gè)小的晶格膨脹效應(yīng)插入到LixTiS2材料中。該材料類似于CdI2-NiAs，鋰離子逐漸占據(jù)層間空間(范德華間隙)的八面體位置，形成化學(xué)插層效應(yīng)的電化學(xué)嵌入。在1973年，鋰被用作電池的電極(?？松芯亢凸こ坦?，可產(chǎn)生約2 V的電勢(shì)差。Whittingham在1976年提出了第一個(gè)嵌入脫出型的正極材料TiS2[1]，這幾乎標(biāo)志著從早期Li-MnO2一次電池到現(xiàn)代二次鋰電池的轉(zhuǎn)變。第一代可充電鋰離子電池隨后在1976年進(jìn)行了演示(圖3)，奠定了基于鋰離子嵌入式反應(yīng)的二次電池成功商業(yè)化的基礎(chǔ)，其意義非常重大[2]。

圖1 2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者官方宣傳圖(圖片來(lái)源：https://www.nobelprize.org)

圖2 Stanly Whittingham院士(圖片來(lái)源：https://www.binghamton.edu)

圖3 第一代可充電鋰離子電池的演示圖[2]

Stanley Whittingham自1988年加入到紐約州立大學(xué)賓漢姆頓校區(qū)，便一直開展水熱法在新材料合成方面的研究。他最初的研究是釩化合物，后來(lái)將這方面的技術(shù)轉(zhuǎn)移到鋰離子電池正極材料的制備，而且首次使用該法制備出磷酸鐵鋰，并推向商業(yè)化。2014年，Whittingham教授在Chemical Reviews發(fā)表了關(guān)于鋰離子電池的一篇綜述，歸納了正極材料的研究歷史，并對(duì)未來(lái)走向進(jìn)行預(yù)測(cè)[3]。截至發(fā)稿日，該篇文章的引用次數(shù)高達(dá)5 091次。對(duì)于水熱法合成的新材料，他表示：“我們的目標(biāo)之一是尋找新的合成路線來(lái)制備傳統(tǒng)方法無(wú)法制備的亞穩(wěn)化合物”。

溶液中的離子與固體反應(yīng)，使得離子擴(kuò)散到固體中，可提供增強(qiáng)的超導(dǎo)性。在許多情況下，可以通過(guò)離子擴(kuò)散出來(lái)后的結(jié)構(gòu)構(gòu)造未知的開放結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生可以進(jìn)行化學(xué)處理或分離/催化的空置隧道或?qū)?。為了獲得對(duì)鋰離子電池中的電極反應(yīng)更深層次的理解，他于2007年主持了美國(guó)能源部的化學(xué)能源儲(chǔ)存研究，以探究限制能量?jī)?chǔ)存的因素。2008年，Whittingham還對(duì)層狀的氧化釩及氧化鉬作為電池電極材料進(jìn)行了研究。他指出：氧化釩的空間結(jié)構(gòu)目前還沒(méi)完全明了，還有很多未解之謎等待著解答，因此，插層離子與之發(fā)生反應(yīng)的高反應(yīng)活性機(jī)理也在爭(zhēng)論中，亟待進(jìn)一步地研究闡明[4]。

2012年，在70歲生日之際，Whittingham提出通過(guò)材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以調(diào)控尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4材料的電化學(xué)性能[5]，指出Mn3+在LiNi0.5Mn1.5O4晶體中的濃度和晶格位置的無(wú)序化是影響LiNi0.5Mn1.5O4材料電化學(xué)性能的關(guān)鍵因素，并且為解釋儲(chǔ)能材料的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系提供了有價(jià)值的理論依據(jù)。同年，他在《電氣與電子工程師協(xié)會(huì)會(huì)報(bào)》(Proceedings of the IEEE)上發(fā)表論文，講述能源存儲(chǔ)的歷史、演變及未來(lái)，詳細(xì)描述鋰電池的現(xiàn)狀與未來(lái)的發(fā)展。他對(duì)能源儲(chǔ)存未來(lái)發(fā)展的推測(cè)指出，在25年內(nèi)，低成本的能源存儲(chǔ)系統(tǒng)將會(huì)普及，未來(lái)的交通工具(汽車)至少是混合動(dòng)力，或者是全電型[6]。

近期，Whittingham還在致力于新型微孔納米氧化物和磷酸鹽的合成和表征的研究，希望能為電化學(xué)和傳感器應(yīng)用提供助力。比如，他的課題組重點(diǎn)研究一種新的鋰電正極材料VOPO4，此材料與已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的LiFePO4類似，都是多陰離子過(guò)渡態(tài)金屬化合物。比起傳統(tǒng)的氧化物，它具有優(yōu)異的安全性能，價(jià)格也比使用Co的LiCoO2、Ni-Mn-Co(NMC)、Ni-Co-Al(NCA)要便宜很多。與LiFePO4不同的是，VOPO4理論上可以嵌入更多鋰離子，也就意味著更高的比電容量[7]。當(dāng)然，從他們發(fā)表的工作中也能看出，要完全可逆地使用V3+/V4+和V4+/V5+兩氧化還原對(duì)從而實(shí)現(xiàn)可逆的脫鋰嵌鋰，還有許多問(wèn)題有待解決。

Whittingham教授對(duì)鋰金屬負(fù)極長(zhǎng)循環(huán)行為、高能鋰金屬電池的衰減機(jī)制也進(jìn)行了研究。他聯(lián)合西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室劉俊教授在Nature Energy上對(duì)此進(jìn)行了報(bào)道[8]。文中通過(guò)集成鋰金屬負(fù)極、LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2正極和兼容的電解質(zhì)，開發(fā)出300 Wh·kg-1(1.0 Ah)的軟包電池，并使用該軟包電池研究循環(huán)期間電池性能衰退相關(guān)的鋰金屬負(fù)極的結(jié)構(gòu)演變。數(shù)據(jù)顯示，由于優(yōu)化的電池設(shè)計(jì)、兼容的電解質(zhì)和均勻的外部壓力，該軟包電池的腫脹效應(yīng)大大減少，經(jīng)歷200次循環(huán)后仍有86 %的容量保持率和83 %的能量保持率。其中，在最初的50個(gè)循環(huán)中，扁平的鋰箔轉(zhuǎn)變成大的鋰顆粒，纏繞在固體電解質(zhì)中間相中，導(dǎo)致負(fù)極快速的體積腫脹(電池增厚48 %)。隨著循環(huán)的繼續(xù)，外部壓力有助于鋰負(fù)極與鋰顆粒之間保持良好的接觸，這確保了離子和電子的導(dǎo)電滲透途徑，繼而使電化學(xué)反應(yīng)能夠繼續(xù)發(fā)生。因此，固體鋰顆粒發(fā)展成多孔結(jié)構(gòu)，其在隨后的150個(gè)循環(huán)中表現(xiàn)出顯著減小的電池腫脹(～19%)。

便攜式電子設(shè)備的革命席卷整個(gè)20世紀(jì)90年代，隨之而來(lái)的是電池的設(shè)計(jì)和材料的不斷改進(jìn)，制備技術(shù)不斷地發(fā)展進(jìn)步，作為新能源儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換用的電池如鋰電池也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。從電池驅(qū)動(dòng)的新能源汽車到電池作為儲(chǔ)能器件的電網(wǎng)以及電池為電源的手機(jī)等，鋰電池技術(shù)正在推動(dòng)我們的社會(huì)向可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)邁進(jìn)。Whittingham教授工作的重要性比以往任何時(shí)候都要顯著。

2 John B. Goodenough

John B. Goodenough院士(圖4)出生于1922年，在他97歲高齡之際，終于獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，創(chuàng)下最年長(zhǎng)得獎(jiǎng)人的紀(jì)錄?！俺L(zhǎng)待機(jī)”的他早在1940年就考入耶魯大學(xué)，并獲得了數(shù)學(xué)學(xué)士學(xué)位，這讓他在二戰(zhàn)從軍期間受益匪淺。1952年，Goodenough獲得物理學(xué)博士學(xué)位。1986年他受聘于美國(guó)德州大學(xué)奧斯汀分校機(jī)電工程學(xué)院擔(dān)任教授。在成為終身教授后，他擔(dān)任美國(guó)德州大學(xué)奧斯汀分校材料科學(xué)與工程中心負(fù)責(zé)人。30多歲才開始學(xué)物理，54歲才開始研究鋰電池，90歲研究全固態(tài)電池，97歲得諾獎(jiǎng)，這樣的人生確實(shí)是大寫的“GOODENOUGH”(“足夠好”)了。

圖4 John B. Goodenough院士(圖片來(lái)自美國(guó)德州大學(xué)奧斯汀分校官網(wǎng))

雖然Whittingham發(fā)現(xiàn)鋰離子可以在電極間來(lái)回穿梭，并且在1976年成功研制出新型鋰電池，其輕便和電量足的屬性完全碾壓了市面上的碳鋅電池和鎳鎘電池；但是鋰電池在使用過(guò)程中，鋰金屬表面會(huì)逐漸析出尖銳的鋰枝晶，有可能穿透正負(fù)極之間的隔膜，造成電池內(nèi)部短路，引起電池自燃，造成爆炸。大量鋰電池爆炸的事實(shí)證明鋰枝晶很難解決，從而造成鋰電池的商業(yè)發(fā)展基本停滯。

鋰枝晶這個(gè)問(wèn)題引起了Goodenough的思考，他基于之前對(duì)固體氧化物的深入理解和研究，依據(jù)結(jié)構(gòu)化學(xué)及電化學(xué)理論，分析了氧化物的能帶結(jié)構(gòu)與電解液/電解質(zhì)分子的軌道關(guān)系，于1980年精準(zhǔn)地選用層狀LiCoO2作為鋰離子電池的正極材料[9]。該材料成功地抑制了鋰枝晶的生長(zhǎng)，提高了鋰離子電池的安全性。直到今天，層狀LiCoO2材料及其衍生材料仍然是各方面綜合性能最好、應(yīng)用最為廣泛的鋰離子電池正極材料?，F(xiàn)在正熱門的三元正極材料，比如用于特斯拉(Tesla)汽車電池中的NCA、高鎳NMC等，依然是基于LiCoO2體系的摻雜(加入Ni、Al、Mn等)。

一向精明善于實(shí)際應(yīng)用的日本科學(xué)家和工程技術(shù)人員(索尼公司)采用Goodenough發(fā)現(xiàn)的LiCoO2作為正極材料，再用價(jià)格低廉的石墨作為負(fù)極，不但從原理上解決了鋰金屬的各種致命問(wèn)題，而且制造出生產(chǎn)成本低、性能高的新型鋰離子電池(圖5)。他們將可充電鋰電池應(yīng)用于相機(jī)、隨身聽、CD播放器、筆記本電腦、手機(jī)上，一舉奠定了鋰電行業(yè)的龍頭地位，并成就了鋰離子電池廣泛應(yīng)用于各種便攜式電子產(chǎn)品的“盛況”。

圖5 使用LixCoO2為正極的鋰離子電池示意圖[2]

此后，Goodenough教授在鋰離子電池領(lǐng)域繼續(xù)耕耘并引領(lǐng)研究前沿，于1983年提出尖晶石型LiMn2O4正極[10]。1997年75歲的他發(fā)現(xiàn)了LiFePO4(以下稱為L(zhǎng)FP)[11]，這是自LiCoO2之后的又一極其優(yōu)秀的正極材料體系。雖然該體系材料電壓較低，導(dǎo)致儲(chǔ)能密度不如LiCoO2體系材料，但是得益于獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)(圖6)，LFP體系材料在鋰離子脫嵌過(guò)程中非常穩(wěn)定，由此擁有優(yōu)于層狀結(jié)構(gòu)LiCoO2材料的安全性。另外，LFP的循環(huán)穩(wěn)定性、壽命、效率、成本(不含鈷)等方面都比LiCoO2有極大的提高。LFP材料一經(jīng)報(bào)道，就成為學(xué)術(shù)界、工業(yè)界追捧的對(duì)象。由于儲(chǔ)能密度較低，LFP材料被學(xué)術(shù)界及工業(yè)界通過(guò)各種方法進(jìn)行改進(jìn)，所得到的鋰離子電池被廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)能領(lǐng)域、電動(dòng)巴士等。美國(guó)A123公司靠賣LFP發(fā)家，而國(guó)內(nèi)比亞迪公司所生產(chǎn)的“鐵電”就是這一體系的材料。

圖6 LFP材料的晶體結(jié)構(gòu)：(a)LiFePO4的晶體結(jié)構(gòu)；(b)脫鋰后FePO4的晶體結(jié)構(gòu)[11]

隨后，Goodenough教授的研究幾乎包含了各種重要的鋰電正極材料，他奠定的基礎(chǔ)還對(duì)鋰電池將來(lái)的發(fā)展起指導(dǎo)作用。

鋰離子電池所使用的液態(tài)電解質(zhì)是一種混合有機(jī)物，易燃、易爆炸，使得鋰離子電池的安全性依然受到考驗(yàn)。近期國(guó)內(nèi)外數(shù)起新能源汽車起火爆炸就是因?yàn)檫@個(gè)問(wèn)題。由于液態(tài)電解質(zhì)是鋰離子電池安全隱患的來(lái)源之一，Goodenough認(rèn)為發(fā)展固態(tài)電解質(zhì)是解決問(wèn)題的有效方案之一，同時(shí)也能促進(jìn)比能量遠(yuǎn)高于當(dāng)前使用的石墨負(fù)極材料的鋰金屬電池的發(fā)展。然而，固態(tài)電解質(zhì)本身存在的一系列問(wèn)題導(dǎo)致其實(shí)際應(yīng)用受阻。理想的固態(tài)電解質(zhì)應(yīng)該具有高鋰離子電導(dǎo)率、寬電壓窗口以及高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的特點(diǎn)。Goodenough教授在2011年開始對(duì)固態(tài)電解質(zhì)進(jìn)行研究，包括石榴石骨架固態(tài)電解質(zhì)、聚合物-無(wú)機(jī)氧化物復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)以及玻璃態(tài)電解質(zhì)等[12]。2016年在The Electrochemical Society Interface上，Goodenough發(fā)文對(duì)固態(tài)電解質(zhì)進(jìn)行總結(jié)與回顧。文中，他對(duì)三類材料進(jìn)行綜述并指出其中的優(yōu)缺點(diǎn)，提出相應(yīng)的解決方案與設(shè)想[13]。2018年，他將固態(tài)電解質(zhì)的思路實(shí)施于鈉離子電池中[14]。他選擇鈉離子固態(tài)導(dǎo)體NASICON作為固態(tài)電解質(zhì)組裝了高比能全固態(tài)Na/NASICON/Na2MnFe(CN)6鈉電池，從根本上抑制了晶格水與液態(tài)電解液在高電位下的副反應(yīng)，并發(fā)現(xiàn)過(guò)渡金屬離子也不再與電解液溶劑配位溶解。相比液態(tài)電池體系，固態(tài)電池的鈉負(fù)極界面上由于副反應(yīng)減少而保持著良好的離子傳輸，相應(yīng)的電池庫(kù)侖效率和循環(huán)穩(wěn)定性都有明顯的改善。

得益于早期的研究經(jīng)歷，Goodenough教授在析氧材料——鈣鈦礦材料(ABO3)方面也做了很多工作，這些材料被廣泛地應(yīng)用到金屬空氣電池及光解水領(lǐng)域。2011年，Goodenough教授在Science上對(duì)該方面的研究成果進(jìn)行了報(bào)道[15]。文中稱鈣鈦礦型Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ(BSCF)材料在催化析氧反應(yīng)時(shí)其固有活性比目前常用的氧化銦材料高一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且通過(guò)研究總結(jié)了10多種不同過(guò)渡金屬材料的特性，對(duì)BSCF這種材料的催化活性進(jìn)行了理論預(yù)測(cè)。這一研究對(duì)金屬空氣電池以及光解水的發(fā)展具有重大意義。2018年，他又開發(fā)出一種空氣中穩(wěn)定的新型鈣鈦礦型的無(wú)機(jī)電解質(zhì)Li0.38Sr0.44Ta0.7Hf0.3O2.95F0.05。這種新型鈣鈦礦型無(wú)機(jī)電解質(zhì)具有立方結(jié)構(gòu)，能夠提供較高的離子電導(dǎo)率，保持較高的化學(xué)穩(wěn)定性，并能有效地抑制多硫化物的穿梭效應(yīng)[16]。

縱觀Goodenough教授的科研經(jīng)歷，我們可以發(fā)現(xiàn)，從20世紀(jì)70年代至今，鋰離子電池領(lǐng)域內(nèi)有兩大突破(層狀LiCoO2材料、橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4材料)與他相關(guān)。老先生一生跨越文科、數(shù)學(xué)、飛機(jī)調(diào)度、固體物理、電子學(xué)、磁性、化學(xué)、材料等眾多領(lǐng)域，能在50歲甚至70歲之后還可以做出改變世界的重大科研成果，這種例子縱觀科學(xué)史也不多見。正如他自己所說(shuō)：“我是一個(gè)固體科學(xué)家，我希望化學(xué)家們認(rèn)為我是個(gè)化學(xué)家，但我擔(dān)心他們認(rèn)為我是個(gè)物理學(xué)家。另一方面，物理學(xué)家認(rèn)為我是個(gè)化學(xué)家。”因此，年齡永遠(yuǎn)不是科研的限制，無(wú)論年輕年老，都可以在自己熱愛的研究上持續(xù)發(fā)光，Goodenough教授就是最好的榜樣。

3 Akira Yoshino

Akira Yoshino(中文名：吉野彰)教授(圖7)，1948年出生于日本大阪，1970年3月畢業(yè)于京都大學(xué)工學(xué)部石油化學(xué)專業(yè)，1972年3月從京都大學(xué)工學(xué)研究專業(yè)碩士畢業(yè)，同年進(jìn)入旭化成公司工作。今年他以該公司的研究員身份成為第27位來(lái)自日本的諾貝爾獎(jiǎng)得主，也是日本第二位獲得此項(xiàng)殊榮的企業(yè)研究者。Akira Yoshino曾獲得日本化學(xué)會(huì)平成10年度“化學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)”、日本國(guó)政府“紫綬褒章”、日本化學(xué)會(huì)“第5屆日本化學(xué)會(huì)特別會(huì)員”、美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)授予的環(huán)境與安全技術(shù)獎(jiǎng)(IEEE Medal for Environmental and Safety Technologies)、 查爾斯·斯塔克·德雷珀獎(jiǎng)、全球能源獎(jiǎng)等。

圖7 Akira Yoshino教授(圖片來(lái)自旭化成中文網(wǎng))

20世紀(jì)70—80年代，鋰電池的研究蓬勃發(fā)展，其間與Akira Yoshino共同獲獎(jiǎng)的Whittingham發(fā)現(xiàn)了鋰離子電池的基本原理?；谶@一發(fā)現(xiàn)，另一位獲獎(jiǎng)?wù)逩oodenough則致力于鋰電池正極的開發(fā)，并在80年代發(fā)表了鈷酸鋰的相關(guān)研究成果。但是，此時(shí)的負(fù)極材料仍然以金屬鋰為主，而在鋰離子反復(fù)的脫嵌過(guò)程中，其表面極易形成鋰枝晶，因而容易引起安全事故。如果鋰離子可以插入負(fù)極材料中，也許可以防止枝晶的形成。

1981年Akira Yoshino發(fā)現(xiàn)，控制石油焦炭的結(jié)晶度可以為鋰離子提供穩(wěn)定的可以反復(fù)插入的材料晶格，而且該材料相對(duì)于Li+/Li表現(xiàn)出足夠低的電位(～0.5 V)，同時(shí)能夠容納大量的鋰離子。隨后在1983年他開發(fā)出了鋰離子電池的原型。經(jīng)過(guò)不斷嘗試，Akira Yoshino于1985年開發(fā)出了將碳基材料用作負(fù)極、正極依舊為Goodenough發(fā)現(xiàn)的鈷酸鋰的新型鋰離子二次電池 (LIB)，采用聚乙烯或聚丙烯為隔膜，LiClO4在碳酸丙烯酯中為電解液，從而確立了現(xiàn)代鋰離子電池的基本框架(圖8)，并取得相關(guān)專利。這種電池的充電電壓高達(dá)4.1 V，能量密度為 ～ 80 Wh/kg或 ～ 200 Wh/L。與當(dāng)時(shí)市場(chǎng)上的其他電池相比，鋰電池優(yōu)勢(shì)明顯，從而為即將到來(lái)的移動(dòng)革命鋪平了道路。1991年，Akira Yoshino開發(fā)的電池由旭化成和索尼公司共同推向市場(chǎng)，迅速成為被手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)、電動(dòng)汽車等產(chǎn)品廣泛使用的電池產(chǎn)品。

圖8 離子脫嵌扣式鋰離子電池結(jié)構(gòu)[2]

為測(cè)試鋰離子電池的安全性，Yoshino設(shè)計(jì)了一款安全性測(cè)試裝置，并開展歷史上第一次鋰離子電池安全性能的測(cè)試。經(jīng)過(guò)這個(gè)裝置的測(cè)試，沒(méi)有引起任何火災(zāi)或者爆炸的鋰離子電池終于實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化[17]。2001年，Yoshino對(duì)正交體系橄欖石型LiMPO4體系的材料進(jìn)行綜述，對(duì)該體系中的材料所表現(xiàn)出的電化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行比較，并確定了材料的相轉(zhuǎn)變溫度[18]。

Yoshino不僅研發(fā)出了鋰電池，也研發(fā)出了構(gòu)成鋰電池的四種基本材料——陽(yáng)極材料、陰極材料、電解液和絕緣材料[19]，而這四種材料決定了鋰電池的性能、安全性及壽命。目前，吉野先生所在的旭化成公司已經(jīng)成為世界上最大的鋰電池絕緣材料的制造商。同時(shí)，由此衍生出來(lái)的樹脂薄膜，也成為用于人工透析的一種新材料[20]。

4 結(jié)束語(yǔ)

正是由于這三位科學(xué)家和幕后的來(lái)自世界各國(guó)的科學(xué)家的不斷努力，現(xiàn)在鋰電池已經(jīng)演變?yōu)樽顚?shí)用的可充放電池，為人類的日常生活提供了諸多能源動(dòng)力。然而，隨著未來(lái)電動(dòng)汽車?yán)顺钡牡絹?lái)，電池制造商和科技工作者們將面臨更多的挑戰(zhàn)，而擴(kuò)大車輛的續(xù)航里程(提高能量密度)、提高電池的耐久性和安全性將成為今后努力的方向。

最后，我們?cè)俅蜗蜻@三位獲獎(jiǎng)科學(xué)家M.Stanley Whittingham，John B. Goodenough 和AkiraYoshino致敬！