2019年的诺贝尔化学奖花落锂离子电池范畴。三位获奖人离别是：约翰·古迪纳夫( John B. Goodenough )、斯坦利·威廷汉( M. Stantley Whittingham )和吉野彰( Akira Yoshino )。
此次诺贝尔化学奖的归属是又一次跨界的胜利，德州实验室里永不退休的固体物理学家，来自英国又落户纽约宾汉姆顿大学材料系的化学家，兼任大学传授和企业研究员的..手艺大牛，配合分享了这一大奖以及900万瑞典克朗（约合650万元人民币）的奖金。
约翰·古迪纳夫
“他从不退休，天天都去实验室，永远在为科学发光发烧。”
美国德克萨斯大学奥斯汀分校机械工程和机电工程传授，美国国度科学院、工程院、法国科学院以及西班牙皇家学会四院院士，固体物理学家，锂离子电池的奠定人之一
颁奖词：他将锂电池的潜力翻了一番，为更壮大、更有效的电池缔造了合适的前提。
值得一提的是，现已97岁高龄的古迪纳夫成为了年数最大的诺奖获得者。
他在本年六月份接管采访时曾透露：“我仍在从事电池工作，我也进展看到本身的最后一位博士顺利卒业，他是一个很棒的男孩。但我不知道本身什么时候一不留神就去见天主了，或者就是这两天的功夫吧。我这个岁数，也不会再收学生了。我进展看到我的最后一个学生卒业，那是我的规划，但我的确无法掌握。我天天都起劲生活，这就是我所能做的。”
斯坦利·威廷汉
宾汉姆顿大学化学与材料科学与工程专业传授，美国国度工程院院士，可充电锂离子电池创始之父
颁奖词：20世纪70年月初，他在斥地第一块功能性锂电池时，行使了锂的伟大动力来释放其外层电子。
吉野彰
“好奇心驱动了我的研究，让我们作出有利人类成长的进献。”
旭化成集体研究员、名城大学传授，现代锂离子电池的首创者
颁奖词：吉野彰成功地从电池中去除纯锂，而完全以锂离子取代，尔后者的平安性远远优于锂金属，这使得锂电池得以走向实际应用。
效力于企业的吉野彰能够说一向致力于提高锂电池平安性的手艺攻关，这是一个面向工程面向应用的要害课题，他的进献为人类的便捷带来了绿色的马力，也给企业带去了巨量的好处。
而当记者问到他所做的研究是否为了钱，吉野彰给出了一个极简的回覆——好奇心！
作为一名化学家，华东师范大学姜雪峰传授为锂电池获奖点赞：
对电尤其对电池，人类从未像如今如许需要和依靠，以手机和电脑为代表的各类电子产物、电动汽车、各类能量的贮备均需电池！我们进展电池能量储量大，充放次数多，平安系数高，工作温度兼容宽等，所以锂电池是电池界科学家们很看好的偏向。
电池的研发从本来的铅酸电池到镍镉电池、镍电池，以及到如今的锂离子电池，电池的重量和体积在络续削减，更主要的是它的平安性在络续提高，不乱性也络续提高，恰是化学性质的提高让锂电池具有这种奇特的性质，这也是为什么科学家络续索求这种电池的原因。
将来这或者也是电池行业和人类能量贮备范畴上显现重大冲破的一个偏向，所以本年的诺奖颁给了这三小我，他们不只有科学上的重大进献，竖立起了锂离子电池的模型，他们还鞭策了财富的应用。1991年索尼的电池就是古迪纳夫和吉野彰所建的模型，他们合作研发的锂电池投放市场后影响了今天的电子设备产物。
锂电池获奖是对科学进献与财富进献配合的承认。
在为锂电池研究者获奖贺喜之际，我们认识下锂电池斥地进程，认识获奖人——约翰·古迪纳夫在锂电池方面的进献及其对锂电池研发的小我见解。
（以下2015年揭橥于《世界科学》杂志第12期上。）
锂电池：让锂的能力达到极致
智妙手机现在无处不在，而它们的成功应归功于为它们供电的锂离子电池
之所以我们能将功能壮大的“微型电脑”放在兜里随身携带，锂离子电池功弗成没。它为通信和交通带来革命性的厘革，并使超薄的智妙手机和行驶距离相符实际需求的电动车起头崛起。
正因为锂离子电池比前一代的镍镉电池体积和重量都小了好多，而供电能力并不减色，这些发现才成为了或者。锂离子电池更超卓的一点是，它的充电寿命更长，并且包含的有害物质要少好多。
作为元素周期表中最轻的金属元素，也是最倾向于失去电子的金属元素，锂是制造电能壮大的可携带电池的幻想材料。它能胜任大部门的工作，同时具有最小的重量和起码的化学并发回响。
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锂电池的斥地并非一帆风顺
最初的锂电池由德克萨斯州的艾克森石油公司在20世纪70年月的石油危机时期斥地，是为了应对其时的能源欠缺，和之后的锂离子电池分歧，其时的锂电池无法充电，使用的含锂化合物在电解质中还会发生有害物质。
它们为第一代数字手表供电，然则早期的原型的确就是滴答作响的准时炸弹：电解质发生的气体味在电池内部群集，并且只要碰着空气，就马上会猛烈燃烧。
在之后的3年中，因为电池激发的燃烧事变和顾客的不满，锂电池手艺的成长会按期地碰到挫折。
频仍的召回让锂电池臭名远扬，对锂电池持猜忌立场的人认为它的平安性永远都无法知足市场的要求。
锂电池改变整个社会能源行使体式的愿景影响深远，在科学家、工程师、风险投资商和企业家之间激发了一股“淘金热”，他们络续起劲，试图让锂电池变得加倍听话。
约翰·古迪纳夫是来自德克萨斯奥斯汀分校的一名固态物理专家，他被普遍认为是现代锂离子电池之父，他说：
现代社会完全依靠化石燃料，是以庖代内燃机的念头非常强烈，我们必需找到将社会从对化石能源的依靠中解放出来的法子，我们存眷若何从太阳和风力中获得能量取代化石燃料，然则在获得存储手艺前，这并弗成行。
实现锂离子电池普遍应用的四项首要手艺冲破中，三项都来自古迪纳夫的研究。
在20世纪70年月末，他制备了带有锂钴氧化物的阴极，这种电池至今仍在给大多数小我电子设备供电。
之后，他和此外一名研究电池材料的科学家迈克尔·萨克雷（Michael Thackeray），持续制备出锂锰氧化物，如今绝大多数电动汽车和好多医疗设备都用它供电。
在90年月，尽管已经退休，古迪纳夫持续研究，斥地出用磷酸铁锂制备的加倍廉价不乱的正电极，它普遍用于电动对象。
这些化学成分比最早的锂电池加倍平安，因为它的电极中没有锂原子。在电池阴极（电池给设备供电时，阴极发生电子和锂离子的移动），晶格将锂离子慎密地束缚在阴极复杂的金属氧化物晶体构造中。锂离子直接穿过电解质，而且不会和其他物质发生回响。
阿贡国度实验室，一名研究员正在测试原型电极，
试图发现让电池续航能力更强，充电更快的方式
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电池的近况
尽管锂电池手艺取得了好多进展，现在的手艺依然不敷进步。
好多手机天天都需要充电，大多数电动车行驶不到160公里就需要充电数小时。特斯拉S系列的行驶里程领先市场上其他电动车，跨越了300公里，但它的售价昂贵，至少需要71 000美元。
“在曩昔25年间，电池科学家和工程师们每年都在让电池的机能提拔5%至10%，”来自位于伊利诺伊斯州阿贡国度实验室的材料科学家乔治·克拉布特里（George Crabtree）说。“除非发现全新的氧化物，不然就是阻滞不前，”他说，“我们无法知晓何时能取得重大冲破。”
尽量是古迪纳夫，也对该手艺的成绩感应不满：
“事实上，我们仍未制造出真正的电动车，车的成本必需降低，需要更平安，行驶距离需要更长以使人们不会感应焦虑。”
斥地加倍持久，充电更快，价钱更低的电池的要害是往每个电极中装入尽或者多的锂离子，并使它们在阴阳极之间的举止尽或者快，同时让它的举止不失去掌握。
举例来说，古迪纳夫之前的实验合作伙伴萨克雷如今在阿贡国度实验室进行电化学存储手艺的研究，其时他设计出晶体状的尖晶石分子构造，用于在电池放电时将锂离子平安地送入阴极。因为锂离子在经由移动路径的过程中一向在尖晶石分子构造中，是以电池非常不乱。科学家用雷同的构造将锂离子掌握得越紧，电池就会越不乱。
然则这种手艺也有显着的缺陷：锂离子的移动越不自由，电池的电量就越小。正如从镍镉电池到锂离子电池的改变所证实的那样，提拔电能是减轻体积、重量和费用最好的方式。
然则提拔电能也不是独一的法子。
刘平（Ping Liu）来自能源高级研究规划署（ARPA-E），负责具有高能效和能量存储功能的进步材料的研发，他透露：
提高电池的平安性和不乱机能让电池更小价钱更低，原因是这类手艺提高能够让工程师不消安装电子掌握装配、装船面、电池绝缘器和冷却系统，而现今的电动汽车上都需要安装这些以珍爱电池。
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锂电池相关手艺索求：阳极材料
时至今日，大多数实质性的手艺提高来自于阴极，阴极是锂离子电池放电时接收锂离子的正极。
科学家一向致力于使用碳之类的纳米材料来制备更薄的阳极材料，目的是经由削减离子需要移动的距离加快锂在电池中的化学回响举止。
一些科学家在斥地只有一个原子那么厚的材料，然则这类前沿研究还未发生写意的究竟。“至今没有人能做得很好，”克拉布特里说道。“这么薄的层很难制造得平整。”
“往后的冲破来自于电池的另一端，也就是更好的阳极。”克拉布特里说。
阳极在电池充电时蓄积锂离子，并在电池放电时将它们送至阴极。
在20世纪90年月初，..电子业巨头索尼公司引入碳建造的阳极替代问题络续的金属锂阳极时曾以失去一些电量作为价值，如今工程师们试图将这部门能量找回。
现在的石墨阳极以及在它之前的金属锂阳极均存在一个严重的问题：
在电池充电时回到阳极的锂离子不会平均地笼盖在电极外观，它们以很小的叫做树枝晶的构造像树枝一般生长。
“电池的体积越小，树枝晶在生长时越轻易经由电解质接触到另一极并导致电池短路。”古德伊夫如是说。
人们使用被称为隔离器的可渗透膜防止电极间的接触，以此防止短路，与此同时电解质仍然能够经由。然则树枝晶会断裂并堵住隔离器的小孔，导致电池的寿命降低。
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锂电池相关手艺索求：更合适的阳极材料
阳极能够用硅制造，每克硅能够容纳的锂十倍于每克碳的锂，发生更大的电量。然则硅也有问题：当电池充电，阳极布满锂离子时，它的体积至少是正常体积的3倍。
这种膨胀现象会使阳极物质的电子键断裂，导致电池住手工作。这也会让电池四周的部门好比隔离器，甚至电池壳体等受损，并导致火灾。
崔屹是斯坦福大学的一名材料科学家，他研究锂离子电池的制备已经跨越15年，致力于研发更薄的电极材料。
他正在研发硅纳米线，硅纳米线立在阳极上，就像地毯上的纤维一般，当它们膨胀时电子键不会发生断裂。然则他透露这项手艺至少还需要五年才能贸易化。
同时，他也在测验寻找石墨阳极机能的方式，他使用二维的石墨，充电时对锂的接收会更快，但他说这项工作还远远没有完成。
但回到锂-金属阳极是科学家们求之不得的。
刘平说到：“若是能直接制造出锂-金属电池，就不消考虑用硅了，锂金属电池是最终方针。”
和石墨阳极比拟，锂-金属阳极能够在充电时接收十倍于前者的锂离子，同时不受硅膨胀的影响。如许的电池能知足电动汽车的一项要害机能指标：
每次充电后每千克电池能供应0.3千瓦时的能量，如斯一来电动汽车每次充电后会具有和布满油箱的燃油汽车沟通的行驶距离。然则达到这个里程碑需要其他平安手艺作为支撑，好比固体电解质和更好的隔离器，使得在充电时树枝晶不会生长。
“我不认为使用液态电解质的锂-金属电池能贸易化，” 来自加州大学伯克利分校的材料科学家尼塔湿·巴尔萨拉（Nitash Balsara）说到，“我认为它就和火药一般。”
锂离子只应用在可充电电池中
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固体电解质的索求
固体电解质会带来空前未有的重大冲破。
“若是可以不再使用液态电解质，那么就能够消弭所有的易燃身分，”刘平说道。“那样能够解决锂电池首要的平安挂念。“
“但它的导电性不如液态电解质，是以充电时间会变长，电量会降低。”巴尔萨拉说到。
古迪纳夫增补道：“我不认为能够斥地出寿命很长的固态电池。”古迪纳夫进展经由研发一种一部门为固态的电解液来消弭固态和液态电池间的机能差别，接近阳极处使用固体电解质，接近阴极处使用液体电解质。
“如许能够具有固体电解质同样的结果，并具有更长的寿命，”他说到，“因为阳极材料不会分化。”
他在实验室建造了一个用于测试的电池，但他透露树枝晶生长仍然是一个很大的问题。
刘平认为最具有前景的研究来自研究陶瓷电解质的科学家。
“固态的玻璃和陶瓷电解质比塑料高分子的导电性显着要强好多，”巴尔萨拉说到，“如许强的导电性或者会让使用固态电解质损失的电量不会太多。”
其他研究锂离子电池新型电解质的科学家如蒋业明，蒋业明是麻省理工学院的一名材料科学家，他协助研发了磷酸锂铁电池。
蒋业明开办了一家叫做24M的公司，公司位于马萨诸塞州剑桥，方针是将这一发现贸易化。
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纯锂建造电池
跟着纳米科技让电极和电解质手艺越来越进步，科学家们在寻找电量更大的电池的路上不觉绕了整整一圈，又回到了使用纯锂而不是锂离子建造电池。
锂硫电池、锂-空气电池并不属于锂离子电池，因为锂在电解质中发生化学回响并生成其他物质，而不光仅是流经电解质。
锂硫电池同20世纪70年月艾克森公司实验的电池相似，但能保留十倍于沟通重量的锂离子电池的电量。问题在于电化学回响会消费硫并发生其他成分，电解质会被稀释。这两个过程都导致这种电池的早夭。
“幻想情形下，你进展电解质只要传输锂就能够了，”巴尔萨拉说道，“其他过程都邑发生问题。”
为认识决这一并发症，崔屹、克拉布特里和其他科学家正在斥地能封装硫的纳米材料。崔屹透露他的实验室已经研发了一种能够经受500～1000次充放电轮回的锂硫电池，这敌手机和笔记本电脑来说充沛了。然则他又提到，这种电池的电量仍然太低，贸易化的原型电池或者还需要五年才会问世。
从电量、重量和成本的角度来看，锂-空气电池或者是锂电池的最终版。
用金属锂作为阳极，气态的氧气作为阴极，锂-空气电池能够用更低的成本以及或许更轻的重量存储和锂硫电池沟通的电量。
锂电池的研发看上去非常难题，但更好的锂电池带来的回报也是伟大的。除了带来能够行驶300千米的电动汽车，它们会让太阳能和风能如许的可再生能源普遍应用，最终让世界离开对化石能源的依靠。
2013年古迪纳夫传授接管美国总统奥巴马颁布美国国度科学奖章（又称总统科学奖章）时的合影。1922年出生的他，今朝仍然对峙工作，持续电池材料的研究
