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

2019年10月9日，诺贝尔化学奖揭晓，获奖者为锂电池领域的三位学者：约翰-班宁斯特-古迪纳夫、惠廷汉姆和日本学者吉野彰。理由是因发展锂电池领域所做的贡献。

在颁奖结束之后，清华汽车系博士、知乎答主“张抗抗”第一时间在知乎撰文解读三位科学家的贡献、成就。以下为张抗抗撰文全文：

锂电池的发明并不是人类科技树的必然结果，而是一项奇迹。

如果没有M. Stanley Whittingham与John B. Goodenough英雄史诗一般的贡献，也许我们现在还生活在一个没有锂电池的世界里。

Goodenough老爷子已经年近百岁，依然奋战在科研一线，再不给他发个诺贝尔奖可能就来不及了！

他拿这个奖可以说是众望所归！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汽车

电动汽车的发明其实比内燃机汽车更早，直到1912年还在市场份额上占有优势。

后来由于电池技术进步缓慢而被历史淘汰，坟头草都有三尺高了！ 正常来说，一项技术路线被淘汰后，永远出头之日，例如液晶电视vs等离子电视。

电动汽车之所以能够在百年之后重返历史舞台，正是因为锂离子电池发展史上英雄人物辈出，奇思妙想的划时代技术突破，力挽狂澜地给电动汽车续上了命。

能量密度，绕不开的“锂”

1859年，法国人普兰特于发明经典的铅酸蓄电池，这是一款非常成功的发明，直到今天还被普遍使用。

铅酸蓄电池结构

但是，如果把它用到车上，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理解：左下角的Lead-Acid就是铅酸蓄电池，与现在常用的NCM622锂离子电池相比，重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

汽车的应用场景比较特殊：

一是对体积比较敏感，谁也不想牺牲座舱与后备箱空间来装电池；

二是对重量比较敏感，若电池能量密度太低，可能就要面临1吨的车+2吨的电池才能跑500公里的窘境，这不仅不经济，从环保的角度来说也是不可接受的！

与铅酸蓄电池相似，镍隔电池、镍氢电池的能量密度也没改善多少。若没有新的高能量密度电池，电动汽车将永无出头之日。

能量密度为啥低呢？我们知道，电池充放电可以理解为氧化还原反应。

初中化学告诉我们：化学性质主要由最外层的电子决定，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要配上很重的质子。

打开元素周期表，容易找到铅(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。这就从原子的角度决定了：铅酸电池、镍隔电池、镍氢电池的能量密度潜力都是有限的。

为了减少懒汉数量，提高整体效率，我们还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。

有分析指出：氧与氟都是氧化剂，排除；氦、氖、氮都是惰性或准惰性气体，排除；碳和氢其实就是石油，已经用过了，也做不成充电电池，排除。

那么就只剩下锂、铍、硼，它们的电子转移数/原子量分别为14%、22%、28%。再考虑到两个因素：

锂电极电势是全元素周期表最低：做成电池后电压最高；若转移同等数量电子(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。

可能还有其它因素，但我不清楚。不管怎么说，大家达成了一个共识：在造物主的这个时空次元中，能量密度最高的充电电池，大概率是基于锂元素做出来的。

惠廷汉姆： “告别化学反应”的锂离子电池

充电/放电伴随着化学反应，例如铅酸蓄电池在充电时：

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

关于物质结构，大家熟悉的另外一个例子就是不同结构的碳：金刚石、石墨、C60、碳纳米管。

早期的锂电池在工作时，也是伴随着化学键的断裂与重组，这也就是所谓的“锂转化”(Conversion)。

负极通常为锂金属，发生的反应为：

这不就是导致电动汽车自燃的元凶“锂枝晶”化学反应吗？

在当前的锂离子电池中，锂枝晶现象仅在超快充、过充等极少数异常情形下才发生，就已经有如此大的危害。

早期锂电池竟然以“锂枝晶”为基本反应，把砒霜当成便饭来吃，岂不是非常危险？

事实的确如此，售出数百万早期锂电池的加拿大公司Moli Energy，一年之内发生数起安全事故而破产。日本NEC将Moli Energy收购之后研究发现：这种以“锂枝晶”为基本反应的早期锂电池，在5000次循环之后几乎全部出现故障失效与安全事故。

以锂金属为负极的锂电池，安全事故不是偶然是必然，不是个别是全部！这个结论将锂电池打入冷宫，行业上下一遍悲观。站在这个时间点，几乎没人会相信，几十年后电动汽车又能重返舞台。

如果“锂转化”(Conversion)的技术路线困难重重，那我们避开不就可以了吗？ 说的容易，要知道那时候所有的充电电池，包括铅酸电池、镍隔电池、镍氢电池，都是基于“转化”(Conversion)反应的！

时代在等待一位英雄，于是M. Stanley Whittingham(迈克尔·斯坦利·惠廷汉姆)出现了！

他指明了除“锂转化”(Conversion)之外的另外一个技术路径：锂嵌入(Intercalation)。

通俗易懂地讲：以特殊的层状材料作为宿主(hosts)，锂离子(Li+)作为客人(guests)可以较为随意地嵌入（Intercalation）或脱出，基本不影响宿主的物质结构。

正负极材料均为好客的宿主，锂离子可以来去自如

在锂嵌入(Intercalation)系统中，锂离子不必再经历痛苦的转化(Conversion)。“告别化学反应”之后，锂离子变得潇洒飘逸很多。

当然，必须严肃地指出：锂嵌入(Intercalation)中锂离子看起来仅发生了物理运动，但本质上依然是化学反应。

锂嵌入(Intercalation)带来很多好处，大大提高了充放电反应的可逆性；也避免使用锂金属作为负极，提高了安全性。

从锂转化”(Conversion)到锂嵌入(Intercalation)，是锂电池的技术革命。因为这个贡献，惠廷汉姆被称为“锂电之父”(Founding Father of rechargeable lithium ion battery)。

最后要提一下的是，锂嵌入(Intercalation)在电极电势上占优势，但在能量密度上占劣势。

很容易理解，若以锂金属作为负极储存锂离子，那材料利用率肯定很高。正因为如此，基于锂转化”(Conversion)的锂金属电池技术路线虽然困难重重，但为了更高能量密度的锂电池，现在科学家们还是硬着头皮前仆后继地投入研究。

Goodenough先生：老骥伏枥，志在千里

惠廷汉姆指明了锂嵌入(Intercalation)的技术方向，但距离做出锂离子电池还有很长的距离。锂电池历史上第二位英雄人物出场了，他的名字很特别： John Bannister Goodenough(约翰·班尼斯特·古迪纳夫)。

以前读论文，见到“Goodmann”(好人先生)就已经让我足够吃惊了，而这位巨匠的名字明显更胜一筹：“Goodenough“(足够好的先生)。

概括一下，Goodenough先生最让人敬佩的是：年过半百才投入锂电池研究，以一己之力发现了大部分关键正极材料：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)。

今年已经98岁，Goodenough先生依然奋战在科研一线，希望为下一代锂固态电池做出突破。

推动汽车电动化的其他人物/公司

惠廷汉姆和Goodenough的科研贡献，奠定了锂电池大发展的理论与技术基础。

从历史的角度来看，锂电池的大发展光靠科研也不行，还必须依赖产业。产业界也涌现了不少英雄人物，限于篇幅，他们的故事在此只能用一句话概括。

推动汽车电动化的关键人物：

本田宗一郎：本田汽车创始人。上世纪70年代，在加州空气资源委员会推行清洁空气法案被通用汽车阻挠的时候，发明新型燃烧室技术帮助加州证明法案的合理性，使得排放法案得以继续推行下去。

姊川文彦：东京电力高管。21世纪初，在美日汽车行业均不看好的环境下，联合三菱汽车与斯马鲁汽车推行电动车计划，间接促使日产推出聆风电动汽车。

伊隆马斯克：与日产聆风几乎同时，用大规模的松下18650电池成功造出市场欢迎的电动汽车。

推动锂离子电池商用的关键公司：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行业，改变了整个世界；反过来，消费电子行业的巨大市场，也大大助力了锂离子电池技术与产业的迅速发展。

如果没有消费电子行业的助推，在21世纪初的时候，也许根本找不到可以达到电动汽车应用标准的锂离子电池 —— 消费电子行业助力锂离子电池从1进步到10，电动汽车行业才有机会在此基础上继续推进。

对电动汽车的发展来说，索尼也功不可没。可悲的是，现在锂电行业已没有索尼的身影：索尼总是超前地做出惊艳的产品与技术，但无法坚持到吃到胜利果实的一天。

小结

在汽车的AI(自动驾驶)、Connectivity（智能互联）与e-tron(电力驱动)三个趋势中，电力驱动技术给人心理上的冲击，也许没有自动驾驶那么大，猛一看显得不算是“划时代“的突破。

今天，我们已经习惯了锂离子电池技术带来的便利，觉得这项技术稀松平常，没什么特别；但是，穿越到20世纪70年代，如果你说锂离子电池将大规模应用于消费电子与汽车行业，大家也许会觉得你是个疯子！

类比地，今天我们觉得自动驾驶技术惊骇世俗，但在30年后的人们眼中，可能也觉得这只是稀松平常的技术，没什么特别。所以，我们不能凭借主观上的冲击力来判断哪项技术“划时代“，哪项技术很一般，而应该站在历史的长周期角度来判断。

如果站在历史的长周期角度来看，锂电池发展史，是人类不断追求可充电电池理论极限的科技史。电力驱动的锂离子电池关键技术的崛起，依赖于科研界与产业界的共同创新，过程中英雄故事数不胜数，才在极端不利的情形下找到一个突破口，帮助电动汽车百年之后重返历史舞台。

这简直就是一个奇迹，称之为“划时代“并不夸张。

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