锂電池，電子工業中最偉大的發明
2020年12月英國首個純電動汽車充電站在布倫特裡開業，不少新能源汽車來到這裡體驗锂電池的快充功能。
人類的文明史很大程度上是由能源支撐的。從農業文明發展到信息文明，人類社會的能源也從生物能源拓展到化石能源、核能、風能等多種形式。就當前來說，能源問題已經開始深刻影響我們所居住的這顆藍色星球的面貌——與能源緊張、人口增加有千絲萬縷的聯系。能源價格不斷上漲，增加了消費者的負擔，增加了農業産業化的成本。将農耕地轉為生産生物燃料不但對解決問題助益有限，而且可能鬧得能源、糧食兩頭吃緊。氣候變化方面，降雨失常、積雪冰川消融引起的季節性泛濫，都加劇了水資源短缺的狀況，導緻世界很多地區農業遭殃。能源和環境因素共同作用，還使得其他很多問題日益突出，而最大的危險可能是多重壓力交織并發。這種前所未有的綜合征将使決策者們承受巨大壓力，難以及時采取行動來趨利避害。從人類本身來說，能源轉化成能量的儲存方式也具有很重要的意義，而電池就是一種普遍的儲存載體，甚至是一種最重要的載體。近年來，锂電池作為一種非常普遍且技術含量頗高的電池，越來越為人們所熟知。
諾貝爾化學獎得主們與锂電池2019年10月9日，瑞典皇家科學院宣布将2019年諾貝爾化學獎授予“锂電池三傑”：斯坦利·惠廷漢姆、約翰·古迪納夫、吉野彰，以表彰他們在锂電池研究開發方面的卓越貢獻。評獎委員會稱，他們為人類帶來“前所未見的強大電池”，創造了一個“可充電的世界”。如果沒有他們發明的锂電池，“就不會有今天的智能手機、平闆電腦或筆記本電腦”。而這3位得主都擁有堪稱不平凡的人生經曆和科研曆程。
惠廷漢姆是锂電池的發明者，他采用硫化钛作為正極材料，金屬锂作為負極材料，制造了首個小型化锂電池，電流為2v。同樣質量下，锂電池能比其他電池儲存更多的電能，因此很受市場青睐，比如當時“大哥大”手機使用的就是這種锂電池。惠廷漢姆邁出了可貴的第一步。不過，惠廷漢姆的锂電池用金屬锂作為電極材料，在使用過程中存在嚴重的安全隐患。據了解，金屬锂是世間最活潑的元素之一，甚至與氮氣都能發生反應，生産組裝過程中稍有不慎，洩進了空氣，輕則電池報廢，重則起火燃燒，因此無法投入規模生産。在北美問世還不到半年，這種锂電池就因為多起起火爆炸事故而被召回。
這時候，古迪納夫開始登場。與諾貝爾物理學獎獲得者楊振甯是同學的古迪納夫本在耶魯大學學習哲學和古典文學，一次偶然的機會跨入化學研究的大門。在芝加哥大學物理系獲得博士學位後，古迪納夫被推薦去了麻省理工的林肯實驗室，進行關于内存材料的物理研究。在這裡，他對随機存取存儲器的發展做出了貢獻，這個技術就是後來的電腦内存。值得一提的是，在此期間，他第一次接觸到了電池，不過當時他研究的還是鈉硫電池。1976年，他又跳槽去了牛津大學，從此之後開始大放異彩。
1980年，古迪納夫嘗試用钴酸锂與石墨組成新的锂電池。古迪納夫的新電池擁有更小的體積、更大的容量和更加穩定的使用方式，因此頗受市場歡迎。古迪納夫研制钴酸锂來取代金屬锂，既解決了電池的安全性問題，又降低了電池的制造成本，實現了锂離子電池技術的革命性突破。但牛津大學并沒有重視古迪納夫的研究，于是古迪納夫把專利送給了牛津大學附近的政府實驗室。接着，專利又被索尼公司買走繼續開發，成了今天各種便攜設備電池的基礎。今天，锂離子電池至少有價值350億美元的市場，而古迪納夫沒有拿到這些錢，但他并不在意這件事。他說：“反正我做這個的時候也不知道會這麼值錢……我隻知道這是件我應該做的事情。”1983年，古迪納夫發現錳尖晶石是優良的正極材料。這種材料的分解溫度高，且氧化性遠低于钴酸锂，即使出現短路、過度充電，也能夠避免燃燒、爆炸的危險。截至2013年，錳尖晶石已經被用于商業電池。1997年，古迪納夫發現了磷酸锂鐵LFP正極材料，它的晶體結構更穩定，使用壽命更長，充電也更快。因此古迪納夫也被稱為“锂離子電池之父”。
在2019年諾貝爾化學獎的3位獲獎者中，被譽為“日本锂電池之父”的吉野彰是日本自21世紀以來的獲得諾獎的第19位科學家。這位生于日本大阪府的科學家1948年出生，高中畢業後考入京都大學工學部，攻讀石油化學專業，此後又繼續進修工學研究科碩士課程。2005年，吉野獲得了大阪大學研究生院工學研究科博士學位。從1972年至2017年，吉野在有名的旭化成株式會社，先後擔任與锂電池開發運營相關的事業部負責人。1972年進入旭化成公司時，吉野一直在一線工作，并未從事研究工作。直到進入1980年代，由于手機和筆記本電腦的出現，體積大且容量不足的鎳鋅電池已經無法滿足需求，對大容量且輕巧的充電電池的需求變得越來越迫切，于是專業對口的吉野才被調入旭化成公司川崎技術研究所，真正開始從事研究工作，重點就是研發新型大容量充電電池。
當時，市場上已經出現了以金屬锂為負極的锂電池，但可充電的锂電池尚未投入應用。在這種情況下，吉野率領研發團隊開始攻克锂電電池充電的難題。為解決锂電池自燃這一難題，吉野與同事們絞盡腦汁，不遺餘力地研究對策。在使用有機溶媒成功将白川英樹（2000年諾貝爾化學獎得主）發現的導電聚合物作為充電電池負極，并且對電池試制品進行“重鐵塊沖擊”“步槍射擊”等殘酷實驗後，吉野的研發團隊終于解決了電池自燃自爆的安全問題。
20世紀末到21世紀初，幾乎所有新出現的文明機器大都由锂電池驅動。目前，全球每年生産和使用的锂電池超過10億個，已經成為現代社會的基本能源，并廣泛使用于汽車和飛機中。目前普遍使用的锂電池的原型都是由吉野開發出來的，其基本結構和制造工藝等所有的專利均屬旭化成公司所有。特别是隔膜這一锂離子電池核心部件，可謂锂電池的生命線，在技術處理上尤為困難，當然利潤也相當高，而這項技術至今仍由旭化成公司牢牢掌握，占據着絕對領先的市場份額。這均應歸功于吉野的研發貢獻。可以說，惠廷漢姆使锂電池橫空出世，古迪納夫讓它變得更為輕巧、性能更好，而吉野彰則使其商業化。
锂電池的大本事如今，人類已經須臾不能離開锂電池。具體來說，锂電池儲能技術适應性強，應用範圍和場景廣闊，具有能量密度大、自放電小、無記憶效應、工作溫度範圍寬，以及可快速充放電、使用壽命長、環境污染小和不受地形等自然條件限制等優點，是目前儲能産品開發中适應性最好的技術路線，可以勝任各種複雜的場景，在發電側、用戶側、電網側等主要儲能領域均有很強的競争力。
首先是民用領域。锂電池大顯身手的首要領域應該是電動汽車。當前無論是我國還是西方國家，新能源汽車的主流技術路線都以純電動汽車為主。而純電動汽車的核心在于“三電”系統，即動力锂電池、驅動電機和電控系統，這其中動力锂電池不僅在成本上占比很高（普遍占到新能源整車成本的一半以上），更由于其直接影響着新能源汽車的續航裡程、技術方向和商業價值，因此動力锂電池不僅是純電動汽車的核心零部件，而且可以稱之為新能源汽車的靈魂。甚至可以毫不誇張地說，動力锂電池的技術成敗就直接決定着新能源汽車（純電動）未來的成敗。
其次是軍用領域。在軍用領域，锂電池廣泛應用于水下機器人、陸軍士兵系統、機器戰士、無人機、衛星等領域，特别是常規動力潛艇。常規動力潛艇可在近海及遠洋區域執行反潛、反艦、巡邏、警戒、編隊護航、封鎖、破壞海上交通線、情報收集與監視、布雷和特種作戰等多項任務。世界上最先進的常規動力潛艇當屬日本的“蒼龍”級。該級潛艇采用了一項黑科技，就是把傳統的鉛酸電池換為锂電池。據軍事專家曹成俊介紹，相比較鉛酸蓄電池，锂離子蓄電池具有許多不可比拟的優勢。首先是比能量高。锂離子蓄電池的體積比能量與重量比能量均是鉛酸蓄電池的3倍以上，在同等體積下，锂離子蓄電池既減輕了重量又儲備了更多電能，該特點更适宜在潛艇中應用，有利于增加潛艇電池的總能量。其次是易于實現快速充電。锂離子蓄電池具有較寬的充電功率範圍，可實現在20分鐘至1小時的時間内充電完畢，有助于減小潛艇暴露率，有效提高其隐蔽性能，降低被敵人發現的概率，而現有鉛酸蓄電池還無法達到這一要求。再次是使用安全穩定。由于锂離子蓄電池不含金屬锂，因此，在充放電過程中，隻需锂離子嵌入與脫出，這樣可使電池過熱和内部短路的概率降到最低，進而大幅提高其安全與穩定性能，可在複雜環境下，為潛艇提供可靠的電能保證，以滿足潛艇推進系統的安全要求。最後是維護更加簡便。锂離子蓄電池無記憶效應，在充電前無需放電，其自放電率通常小于5%每月，不需要進行周期治療，且循環壽命最高可達2000次。而鉛酸蓄電池則有記憶效應，每次在充電前，需将上次剩餘電量排放徹底，其自放電率通常為15%至30%每月，需要進行周期治療，且其循環壽命相對較短，通常在200次至500次之間。因此，用锂離子蓄電池取代鉛酸蓄電池，不需要對電池進行例行的深度放電與周期治療，使其維護更加簡單。
此外，雖然锂離子蓄電池成本較鉛酸蓄電池要高，但由于其循環壽命較後者長，因而锂離子蓄電池的全壽命費用相對較低，從潛艇全壽命使用過程來看，使用該電池具備更高的性價比。因此，锂電池在蒼龍級潛艇上的創新性應用，不僅可以有效降低被敵人發現的風險，而且在一定程度上大幅提高了作戰效能。可以預見，該技術的革新，必将使蒼龍級潛艇的綜合性能步入更高水平。
獲得2019年諾貝爾化學獎的“锂電池三傑”。從左到右依次為：斯坦利·惠廷漢姆、約翰·古迪納夫、吉野彰。
锂電池的未來之路随着“隔牆售電”、虛拟電廠、能源大數據、現貨市場等新興領域崛起，锂電池的商業價值将會進一步提高。未來十年全球儲能市場将蓬勃發展，到2030年儲能市場規模或達4260億美元。儲能加新能源将成為網源的重要支撐。從未來發展趨勢看，锂電池應用範圍将會進一步擴大。目前，锂電池作為二次充電電池的主流主要應用于手機、筆記本電腦、便攜式移動電子設備以及電動自行車甚至電動兒童遊樂車等。未來，随着可穿戴設備的廣泛運用，其應用範圍将會擴大。此外，其容量也會進一步提升。如前文介紹的古迪納夫，他現在正在研究一種可以讓電動汽車與内燃機汽車相匹敵的超級電池，這種電池還能儲備太陽能和風能，其容量将會得到進一步提升。
锂電池作為最主要的可充電、便攜式能量源，影響着我們生活的方方面面。锂電池和晶體管一起被視作電子工業中最偉大的發明，锂電池産業已經接近年産幾十億美元，為人類的日常活動提供着源源不斷的動力。未來，随着技術的進步，它還會進一步改變這個世界的面貌。
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