 交汇点讯 2019年10月9日，2019年诺贝尔化学奖授予美国固体物理学家约翰·巴尼斯特·古迪纳夫（John B. Goodenough）、英国化学家斯坦利·威廷汉（Stanley Whittingham）和日本化学家吉野彰（Akira Yoshino），以表彰他们在锂电池领域的贡献，三人将均分900万克朗奖金。就此，记者采访了南京大学、南京工业大学的相关学者，了解了锂电池的前世今生。 老爷子“足够好”，他的发现可能你也在用 约翰·班尼斯特·古迪纳夫（John B. Goodenough），他就是“足够好”老爷子，今年97 岁高龄。在此之前，这个记录由 90 岁高龄获得 2007 年诺贝尔经济学奖的里奥尼德·赫维克兹保持。 “我们的群里都在转发，所有人都觉得，老爷子早就该得这个奖项了。”南京工业大学先进材料研究院教授朱纪欣表示，古迪纳夫多次被提名诺贝尔奖，差不多是科学圈的“村上春树”。 1980年，57岁的物理学家古迪纳夫发明了锂电池中最重要的部件——钴氧化物阴极。现在全世界的便携电子设备大多都采用这种阴极。而在此之前，他已经在磁性材料领域做出了杰出贡献。电化学当时对他而言，属于玩票性质。 “早期的电池，比如镍镉、镍氢电池，均是一次性的，不能充放电。古迪纳夫找到了层状结构的钴酸锂（LiCoO2），作为电池的阴极，将除锂之外的金属材料作为阳极，能够实现高密度的能量储存。”这样一来，可充电锂电池才得以商业化。 现在，年过九旬的 Goodenough 先生仍每天都去德克萨斯大学奥斯汀分校的小办公室上班。对此他解释道，我的工作还没有完成。 朱纪欣说，锂电池有自己的缺点，即能量密度还不够大。应用在目前的智能手机上，刷个一天就要充电了。简而言之，世界需要超级电池。比如现在有锂空气电池、金属电池、锂硫电池这些能量密度比较高的新型电子。如何走向商业化？这应该是老爷子继续进军的方向。 锂电池的前世今生，物理学家和化学家的合作 南京大学现代工程与应用科学学院教授周豪慎说，今天我们做的锂离子电池，早在上个世纪70年代，今年的诺奖得主，也是另一个锂电池先驱——斯坦利·威廷汉（Whittingham）即采用硫化钛作为正极材料、金属锂作为负极材料，制成了世界上首个新型锂电池，这是一个极大的进步，移动电源出现了曙光。 不过这个电池有很大的安全隐患，甚至因为一次安全事故，导致了北米锂电池的公司倒闭。 金属锂是活性的，电池爆炸的风险太大，解决这个问题，古迪纳夫预测，如果用一种含锂的金属氧化物而不是金属硫化物来制造正极，那么电池将具有更大的电势。 以古迪纳夫的正极为基础，日本科学家吉野彰发现负极可以用碳材料来做，不含任何金属。和Goodenough先生发现的正极相配，他在1990年发明了第一个商业上可行的锂离子电池。他没有在负极使用活性锂，而是使用石墨碳，这是一种碳材料，像正极的锂钴氧化物一样，可以插入锂离子。 1991年，吉野彰和Goodenough合作发明的锂离子电池被索尼公司推向市场，标志着锂离子电池的大规模使用。回顾历史，吉野彰曾表示：“电池技术是复杂又困难的学科交叉领域，它的发展需要多方面的专家。在我看来，锂离子电池是集体智慧的成果。” 周豪慎介绍，97岁的诺奖得主“足够好”老先生如今依然坚守在一线能源研究中。“我的一位学生今年9月份刚刚去美国Goodenough教授处做博士后，他昨天还和这位‘足够好’老先生讨论我们课题组在南京大学所做的固态锂空气电池工作，以及该工作后续如何进一步展开的问题。” 强心针！新能源领域亟待巨大突破 “诺贝尔化学奖颁发给这三位科学家，是给多年未获奖的新能源领域打了一剂强心针。”南京大学化学化工学院金钟教授表示，诺贝尔化学奖已经连续两年颁发给了生物化学领域研究者，此次“足够好”先生以97岁的高龄获奖，可以说是众望所归。获奖的锂离子电池研究是以传统电化学为核心，涉及物理、化学、能源、材料等多学科交叉的系统性研究。 金钟告诉记者，“足够好”先生目前仍然在研究新型储能电池体系，尤其是高安全的固态锂电池。在这些领域，“足够好”先生每年都还保持着很高质量的科研产出。在一些会议上，也不乏他报告的身影。“他为人非常和善，而且平易近人。他有很多新的想法，一直在突破自己，讲报告的时候条理非常清晰，写的文章不仅提出新概念，也将原理解释得非常清晰。”金钟说，“足够好”先生还教导出了一批又一批做电池的高手，无论在学术界还是产业界，都有他弟子们的身影。 金钟科普道，固态锂电池本质上还是锂电池，但在性能上有重要改良。“其好处不仅仅是大容量，还在于高安全性，即利用固态电解质，去代替锂电池中原本容易燃烧爆炸的有机电解液。”现在新闻中每隔一段时间就会报道手机和电动车的起火燃烧事故，这正是因为锂电池的安全性还不尽人意。可以说，人们对锂离子电池的性能仍没有完全满意，有待于进一步的技术革新，这也是“足够好”先生97岁高龄仍然坚持在科研一线的原因。开发一种能量密度高、安全性佳、循环寿命久、对环境没有污染的电池，正是人们翘首以盼的，而这个成果或许已经在路上。 交汇点记者 杨频萍 |
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