锂电池，电子工业中最伟大的发明

杨震

2020年12月英国首个纯电动汽车充电站在布伦特里开业，不少新能源汽车来到这里体验锂电池的快充功能。

人类的文明史很大程度上是由能源支撑的。从农业文明发展到信息文明，人类社会的能源也从生物能源拓展到化石能源、核能、风能等多种形式。就当前来说，能源问题已经开始深刻影响我们所居住的这颗蓝色星球的面貌——与能源紧张、人口增加有千丝万缕的联系。能源价格不断上涨，增加了消费者的负担，增加了农业产业化的成本。将农耕地转为生产生物燃料不但对解决问题助益有限，而且可能闹得能源、粮食两头吃紧。气候变化方面，降雨失常、积雪冰川消融引起的季节性泛滥，都加剧了水资源短缺的状况，导致世界很多地区农业遭殃。能源和环境因素共同作用，还使得其他很多问题日益突出，而最大的危险可能是多重压力交织并发。这种前所未有的综合征将使决策者们承受巨大压力，难以及时采取行动来趋利避害。从人类本身来说，能源转化成能量的储存方式也具有很重要的意义，而电池就是一种普遍的储存载体，甚至是一种最重要的载体。近年来，锂电池作为一种非常普遍且技术含量颇高的电池，越来越为人们所熟知。

诺贝尔化学奖得主们与锂电池  

2019年10月9日，瑞典皇家科学院宣布将2019年诺贝尔化学奖授予“锂电池三杰”：斯坦利·惠廷汉姆、约翰·古迪纳夫、吉野彰，以表彰他们在锂电池研究开发方面的卓越贡献。评奖委员会称，他们为人类带来“前所未见的强大电池”，创造了一个“可充电的世界”。如果没有他们发明的锂电池，“就不会有今天的智能手机、平板电脑或笔记本电脑”。而这3位得主都拥有堪称不平凡的人生经历和科研历程。

惠廷汉姆是锂电池的发明者，他采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制造了首个小型化锂电池，电流为2v。同样质量下，锂电池能比其他电池储存更多的电能，因此很受市场青睐，比如当时“大哥大”手机使用的就是这种锂电池。惠廷汉姆迈出了可贵的第一步。不过，惠廷汉姆的锂电池用金属锂作为电极材料，在使用过程中存在严重的安全隐患。据了解，金属锂是世间最活泼的元素之一，甚至与氮气都能发生反应，生产组装过程中稍有不慎，泄进了空气，轻则电池报废，重则起火燃烧，因此无法投入规模生产。在北美问世还不到半年，这种锂电池就因为多起起火爆炸事故而被召回。

这时候，古迪纳夫开始登场。与诺贝尔物理学奖获得者杨振宁是同学的古迪纳夫本在耶鲁大学学习哲学和古典文学，一次偶然的机会跨入化学研究的大门。在芝加哥大学物理系获得博士学位后，古迪纳夫被推荐去了麻省理工的林肯实验室，进行关于内存材料的物理研究。在这里，他对随机存取存储器的发展做出了贡献，这个技术就是后来的电脑内存。值得一提的是，在此期间，他第一次接触到了电池，不过当时他研究的还是钠硫电池。1976年，他又跳槽去了牛津大学，从此之后开始大放异彩。

1980年，古迪纳夫尝试用钴酸锂与石墨组成新的锂电池。古迪纳夫的新电池拥有更小的体积、更大的容量和更加稳定的使用方式，因此颇受市场欢迎。古迪纳夫研制钴酸锂来取代金属锂，既解决了电池的安全性问题，又降低了电池的制造成本，实现了锂离子电池技术的革命性突破。但牛津大学并没有重视古迪纳夫的研究，于是古迪纳夫把专利送给了牛津大学附近的政府实验室。接着，专利又被索尼公司买走继续开发，成了今天各种便携设备电池的基础。今天，锂离子电池至少有价值350亿美元的市场，而古迪纳夫没有拿到这些钱，但他并不在意这件事。他说：“反正我做这个的时候也不知道会这么值钱……我只知道这是件我应该做的事情。”1983年，古迪纳夫发现锰尖晶石是优良的正极材料。这种材料的分解温度高，且氧化性远低于钴酸锂，即使出现短路、过度充电，也能够避免燃烧、爆炸的危险。截至2013年，锰尖晶石已经被用于商业电池。1997年，古迪纳夫发现了磷酸锂铁LFP正极材料，它的晶体结构更稳定，使用寿命更长，充电也更快。因此古迪纳夫也被称为“锂离子电池之父”。

在2019年诺贝尔化学奖的3位获奖者中，被誉为“日本锂电池之父”的吉野彰是日本自21世纪以来的获得诺奖的第19位科学家。这位生于日本大阪府的科学家1948年出生，高中毕业后考入京都大学工学部，攻读石油化学专业，此后又继续进修工学研究科硕士课程。2005年，吉野获得了大阪大学研究生院工学研究科博士学位。从1972年至2017年，吉野在有名的旭化成株式会社，先后担任与锂电池开发运营相关的事业部负责人。1972年进入旭化成公司时，吉野一直在一线工作，并未从事研究工作。直到进入1980年代，由于手机和笔记本电脑的出现，体积大且容量不足的镍锌电池已经无法满足需求，对大容量且轻巧的充电电池的需求变得越来越迫切，于是专业对口的吉野才被调入旭化成公司川崎技术研究所，真正开始从事研究工作，重点就是研發新型大容量充电电池。

当时，市场上已经出现了以金属锂为负极的锂电池，但可充电的锂电池尚未投入应用。在这种情况下，吉野率领研发团队开始攻克锂电电池充电的难题。为解决锂电池自燃这一难题，吉野与同事们绞尽脑汁，不遗余力地研究对策。在使用有机溶媒成功将白川英树（2000年诺贝尔化学奖得主）发现的导电聚合物作为充电电池负极，并且对电池试制品进行“重铁块冲击”“步枪射击”等残酷实验后，吉野的研发团队终于解决了电池自燃自爆的安全问题。

20世纪末到21世纪初，几乎所有新出现的文明机器大都由锂电池驱动。目前，全球每年生产和使用的锂电池超过10亿个，已经成为现代社会的基本能源，并广泛使用于汽车和飞机中。目前普遍使用的锂电池的原型都是由吉野开发出来的，其基本结构和制造工艺等所有的专利均属旭化成公司所有。特别是隔膜这一锂离子电池核心部件，可谓锂电池的生命线，在技术处理上尤为困难，当然利润也相当高，而这项技术至今仍由旭化成公司牢牢掌握，占据着绝对领先的市场份额。这均应归功于吉野的研发贡献。可以说，惠廷汉姆使锂电池横空出世，古迪纳夫让它变得更为轻巧、性能更好，而吉野彰则使其商业化。

锂电池的大本事 

如今，人类已经须臾不能离开锂电池。具体来说，锂电池储能技术适应性强，应用范围和场景广阔，具有能量密度大、自放电小、无记忆效应、工作温度范围宽，以及可快速充放电、使用寿命长、环境污染小和不受地形等自然条件限制等优点，是目前储能产品开发中适应性最好的技术路线，可以胜任各种复杂的场景，在发电侧、用户侧、电网侧等主要储能领域均有很强的竞争力。

首先是民用领域。锂电池大显身手的首要领域应该是电动汽车。当前无论是我国还是西方国家，新能源汽车的主流技术路线都以纯电动汽车为主。而纯电动汽车的核心在于“三电”系统，即动力锂电池、驱动电机和电控系统，这其中动力锂电池不仅在成本上占比很高（普遍占到新能源整车成本的一半以上），更由于其直接影响着新能源汽车的续航里程、技术方向和商业价值，因此动力锂电池不仅是纯电动汽车的核心零部件，而且可以称之为新能源汽车的灵魂。甚至可以毫不夸张地说，动力锂电池的技术成败就直接决定着新能源汽车（纯电动）未来的成败。

其次是军用领域。在军用领域，锂电池广泛应用于水下机器人、陆军士兵系统、机器战士、无人机、卫星等领域，特别是常规动力潜艇。常规动力潜艇可在近海及远洋区域执行反潜、反舰、巡逻、警戒、编队护航、封锁、破坏海上交通线、情报收集与监视、布雷和特种作战等多项任务。世界上最先进的常规动力潜艇当属日本的“苍龙”级。该级潜艇采用了一项黑科技，就是把传统的铅酸电池换为锂电池。据军事专家曹成俊介绍，相比较铅酸蓄电池，锂离子蓄电池具有许多不可比拟的优势。首先是比能量高。锂离子蓄电池的体积比能量与重量比能量均是铅酸蓄电池的3倍以上，在同等体积下，锂离子蓄电池既减轻了重量又储备了更多电能，该特点更适宜在潜艇中应用，有利于增加潜艇电池的总能量。其次是易于实现快速充电。锂离子蓄电池具有较宽的充电功率范围，可实现在20分钟至1小时的时间内充电完毕，有助于减小潜艇暴露率，有效提高其隐蔽性能，降低被敌人发现的概率，而现有铅酸蓄电池还无法达到这一要求。再次是使用安全稳定。由于锂离子蓄电池不含金属锂，因此，在充放电过程中，只需锂离子嵌入与脱出，这样可使电池过热和内部短路的概率降到最低，进而大幅提高其安全与稳定性能，可在复杂环境下，为潜艇提供可靠的电能保证，以满足潜艇推进系统的安全要求。最后是维护更加简便。锂离子蓄电池无记忆效应，在充电前无需放电，其自放电率通常小于5%每月，不需要进行周期治疗，且循环寿命最高可达2000次。而铅酸蓄电池则有记忆效应，每次在充电前，需将上次剩余电量排放彻底，其自放电率通常为15%至30%每月，需要进行周期治疗，且其循环寿命相对较短，通常在200次至500次之间。因此，用锂离子蓄电池取代铅酸蓄电池，不需要对电池进行例行的深度放电与周期治疗，使其维护更加简单。

此外，虽然锂离子蓄电池成本较铅酸蓄电池要高，但由于其循环寿命较后者长，因而锂离子蓄电池的全寿命费用相对较低，从潜艇全寿命使用过程来看，使用该电池具备更高的性价比。因此，锂电池在苍龙级潜艇上的创新性应用，不仅可以有效降低被敌人发现的风险，而且在一定程度上大幅提高了作战效能。可以预见，该技术的革新，必将使苍龙级潜艇的综合性能步入更高水平。

获得2019年诺贝尔化学奖的“锂电池三杰”。从左到右依次为：斯坦利·惠廷汉姆、约翰·古迪纳夫、吉野彰。

锂电池的未来之路

随着“隔墙售电”、虚拟电厂、能源大数据、现货市场等新兴领域崛起，锂电池的商业价值将会进一步提高。未来十年全球储能市场将蓬勃发展，到2030年储能市场规模或达4260亿美元。储能加新能源将成为网源的重要支撑。从未来发展趋势看，锂电池应用范围将会进一步扩大。目前，锂电池作为二次充电电池的主流主要应用于手机、笔记本电脑、便携式移动电子设备以及电动自行车甚至电动儿童游乐车等。未来，随着可穿戴设备的广泛运用，其应用范围将会扩大。此外，其容量也会进一步提升。如前文介绍的古迪纳夫，他现在正在研究一种可以让电动汽车与内燃机汽车相匹敌的超级电池，这种电池还能储备太阳能和风能，其容量将会得到进一步提升。

锂电池作为最主要的可充电、便携式能量源，影响着我们生活的方方面面。锂电池和晶体管一起被视作电子工业中最伟大的发明，锂电池产业已经接近年产几十亿美元，为人类的日常活动提供着源源不断的动力。未来，随着技术的进步，它还会进一步改变这个世界的面貌。                             （責编：南名俊岳）