约翰·班尼斯特·古迪纳夫（John B.Goodenough），迈克尔·斯坦利·惠廷汉姆（M.Stanley Whittingham）和吉野彰（Akira Yoshino）被颁发2019年诺贝尔化学奖，以赞誉他们对锂离子电池研发的奉献。这种可充电电池奠定了手机和笔记本电脑等无线电子产品的根底。它还使无化石燃料的国际成为可能，由于它被用于从电动轿车到可再生动力贮存的简直一切范畴。
元素周期表
化学元素很少会在诺贝尔奖的鉴定中发挥核心作用，但 2019 年诺贝尔化学奖却有一个清晰的主角——锂——一种陈旧的元素，是在国际大爆破后的一分钟内发作的。直到1817年，瑞典化学家约翰·奥古斯特·阿夫维森（Johan August Arfwedson）和琼斯·雅各布·贝泽留斯（J ns Jacob Berzelius）从斯德哥尔摩群岛的于特岛(Ut )上的矿藏样品中提纯了锂，人们才知道它。
贝泽留斯用希腊语中的“石头”一词——“ lithos”——来命名这种新元素。从姓名上看，锂的密度好像很大，但实际上它却是国际上最轻的固态元素，这便是为什么咱们简直很难注意到随身携带的手机。
锂是金属。它的最外层只要一个电子，这使得锂具有很强的给电子才能。锂失电子时，会构成带正电且更安稳的锂离子。
精确地说，两位瑞典化学家得到的并不是纯的金属锂，仅仅以盐方式存在的锂离子。金属锂引发了许多火灾，尤其是在咱们行将叙述的故事中；锂是一种不安稳的元素，有必要存放在矿藏油中，以免与空气反响。
锂很生动，这是它的缺陷，一起也是它的长处。1970 时代初期，斯坦利·惠廷汉姆运用锂外层电子脱出时开释的巨大能量研发出了首个有用的锂电池。1980 年，约翰·古迪纳夫将电池的电压进步了一倍，然后为出产更高能量密度的电池发明了条件。1985 年，吉野彰成功地用更安全的锂离子代替了电池中的金属锂，这使得电池的运用变得切实可行。锂离子电池给人类带来了非常大的好处，由于它推进了笔记本电脑、移动电话、电动轿车的开展以及太阳能、风能存储各个范畴的开展。
现在，咱们将韶光后退五十年，回眸锂离子电池跌宕起伏的开展史。
雾霾重振电池研讨
在 20 世纪中叶，国际上燃油车数量剧增，排放的尾气加重了城市的空气污染。加上人们日益知道到石油是一种不行再生资源，这给轿车制造商和石油公司敲响了警钟。为了生计，它们需求出资电动轿车和新动力。
用于轿车的电池
电动轿车和新动力都需求能够存储很多能量的电池。其时，市场上实际上只要两种类型的可充电电池：1859年发明的铅酸电池（至今仍用作燃油车的发动电池）和镍镉电池（它是在20世纪上半叶发明的）
石油公司出资新技能
石油耗尽的要挟导致石油巨子埃克森（Exxon）决议多元化经营。在一项出资巨大的根底研讨中，他们招募了其时动力范畴中最重要的一些研讨人员，让他们能够自由地做自己想做的事，只要不触及石油即可。
插层反响
斯坦利·惠廷汉姆是1972年入职埃克森公司的人之一。他来自斯坦福大学，他的研讨内容包含可运用原子标准空地存储离子的固体资料。这种存储离子的现象称为插层反响。当离子嵌入时，资料的特性会发作改变。在埃克森，斯坦利·惠廷汉姆和他的搭档开端研讨超导资料，其间包含能够嵌入离子的二硫化钽。他们向二硫化钽中掺杂了离子，并研讨掺杂的离子是怎么影响二硫化钽电导率的。
一种能量密度极高的资料
正如在科学中常常能见到的那样，这个试验导致了意想不到且有价值的发现。事实证明，钾离子会影响二硫化钽的电导率，当斯坦利·惠廷汉姆开端具体研讨这种资料时，他观察到二硫化钽具有很高的能量密度。钾离子和二硫化钽之间的相互作用蕴含着巨大的能量，当他丈量这种资料的电压时，发现有好几伏。这比其时的许多电池要好。
金属钛
斯坦利·惠廷汉姆很快意识到，是时分改动研讨方向了，转而研讨能够为未来的电动轿车供应储能的新技能。但是，钽是重金属元素之一，市场上不需求更重的电池，因而他用钛代替了钽，钛具有相似的特性，但分量却轻得多。
负极中的锂
锂不该该是这个故事中的主角吗？嗯，锂作为斯坦利·惠廷汉姆发明的新电池的负极，行将上台。锂可不是随意被挑出来作为负极的，在电池中，放电时电子应从负极（阳极）流向正极（阴极）。因而，负极要是一种简单失电子的资料，而在一切元素中，锂是最简单失电子的资料。
终究，这种可充电锂电池能够在室温下作业，而且的确具有很高的电压。斯坦利·惠廷汉姆前往坐落纽约的埃克森总部评论该项目。会议继续了大约十五分钟，办理团队随后敏捷做出了一个决议：他们将运用惠廷汉姆的发现开发可商用的电池。
第一批可充电电池的电极中有固体资料，它们与电解质发作化学反响时会决裂，然后损坏电池。惠廷汉姆的锂电池的优势在于，锂离子存储在正极的二硫化钛的晶格空地中。当电池放电时，锂离子从金属锂负极搬迁到二硫化钛正极中。电池充电时，锂离子从二硫化钛搬迁到金属锂外表。
电池爆破，油价跌落
不幸的是，小组刚开端出产电池就遭受了一些波折。跟着锂电池被重复充放电，金属锂负极上会生长出锂枝晶。当它们长到正极时，电池会短路，就可能导致爆破。在消防队熄灭了好几场试验室大火后，终究只好要求试验室付出特种化学药品的费用，这些药品被用于熄灭金属锂诱发的火灾。
* 译者注：在我国，火灾分为 A~F 六类,金属锂火灾属 D 类。关于该类火灾，惯例的各种灭火剂，如水基、干粉、气体灭火剂等均不适用，需求运用特种灭火剂。
当负极是金属锂的电池充电时，会构成锂枝晶。这些锂枝晶会导致电池短路并引发火灾乃至爆破。
为了使电池更安全，惠廷汉姆把铝添加到金属锂中，构成铝锂合金，并替换电池中的电解质。斯坦利·惠廷汉姆于1976年宣告了自己的发现，该电池开端出产，并小规模供应瑞士制表师，他们期望将其用于太阳能驱动的表中。
尔后的下一个方针是添加可充电锂电池的尺度，让其能够为轿车供电。但是，石油价格在 1980 时代初暴降，埃克森需求削减开支。由于研发作业中止，惠廷汉姆的电池技能授权给了国际上三个不同区域的三家公司。
但是，这并不意味着研发中止了。埃克森抛弃后，约翰·古迪纳夫接手了。
石油危机使古迪纳夫对电池感兴趣
在约翰·古迪纳夫仍是个小孩的时分，他患有阅读障碍，这是小时分的他沉醉于数学的原因之一。在第二次国际大战之后，他终究被物理学所招引。他在麻省理工学院（MIT）的林肯试验室作业了多年。在此期间，他为随机存取存储器（RAM）的研发做出了奉献，直到今日，RAM 仍然是计算机的根本组成部分。
遭到石油危机的影响，约翰·古迪纳夫与上世纪 70 时代的其他许多人相同，期望为新动力的开发做出奉献。但是，林肯试验室是由美国空军赞助的，不允许随意进行其他方面的研讨。因而当英国牛津大学延聘他为无机化学教授时，他抓住了时机，进入了动力研讨的国际里。
钴酸锂造就高电压电池
古迪纳夫对惠廷汉姆革新性的电池早有耳闻，彼时这一电池运用的仍是金属硫化物正极，古迪纳夫的专业知识让他想到，运用金属氧化物代替金属硫化物，能够进步正极电势。很快，古迪纳夫及其团队着手寻觅一种在嵌入锂离子时能够供应高电压，且脱出锂时结构不陷落的金属氧化物正极资料。
这种电池系统的成功远超古迪纳夫的幻想。惠廷汉姆的电池能发作超越 2V 的电压，而古迪纳夫发现，以钴酸锂为正极的电池系统能发作两倍于惠廷汉姆的电池的电压，为 4V。
古迪纳夫成功的关键在于他知道到，电池资料不需求在制备之初就处于满电状况，而是能够在制备之后进行充电。1980 年，他宣布了这项研讨，运用这种质量轻，能量密度高的新式正极资料，能够研发出高容量电池。这是迈向无线通讯中至关重要的一步。
古迪纳夫开端在锂电池的正极中运用钴酸锂。这简直使电池的电压添加了一倍，使其能量密度更高
渴求轻浮电池
跟着石油价格的跌落，西方国家对新动力技能和电动轿车的出资削减。但是，日本的一些公司正火急地需求轻浮的可充电电池，这种电池能够为摄像机、无线电话、计算机等新式电子设备供电。旭化成公司的吉野彰敏锐地捕捉到了这个需求。或正如他所说：“我仅仅闻到了在不断改变的局势，你能够说我有很好的嗅觉。”
吉野彰成功研发首款商用锂离子电池
吉野彰决议用古迪纳夫的钴酸锂作正极，并测验各种碳基资料作负极，研发一种有用的可充电电池。研讨人员在此之前发现，锂离子能够刺进石墨的分子层中，但与此一起，石墨的结构会被电解质损坏。但是吉野彰独出机杼地运用了石油工业的副产物——石油焦——成功处理了这一问题。锂离子在充电时嵌入石油焦负极，当电池放电时，锂离子能够搬迁到钴酸锂正极，这种电池具有更高的电压。
吉野彰研发的电池安稳、简便、高容量，且能够发作 4V 的电压。锂离子电池的最大长处在于锂离子能够嵌入电极中。大多数电池充放电时发作的化学反响会使其电极发作缓慢的改变。而锂离子电池充放电时，锂离子在电极之间来回搬迁而不好周围物质发作反响。这意味着锂离子电池寿数很长，能够进行数百次的充放电。
吉野彰研发了首款可商用的锂离子电池。他在正极上运用了古迪纳夫的钴酸锂，而在负极上，他运用了一种碳资料——石油焦，它也能够嵌入锂离子。电池没有根据任何有害的化学反响。相反，锂离子在电极之间来回搬迁，这使得电池具有较长的运用寿数。
锂离子电池的另一个长处，在于锂离子电池不含金属锂。1986年，吉野彰小心谨慎地用爆破测验设备来进行电池的安全性测验。他在电池上放了一大块铁，但什么也没发作。但是用负极是金属锂的电池重复这个试验时，发作了剧烈爆破。
成功经过安全性测验对锂离子电池的未来至关重要。吉野彰说，这是“锂离子电池诞生的时间”。
锂离子电池
——无化石燃料社会的必需品
1991 年，日本一家大型的电子公司开端出售第一款锂离子电池，引发了电子设备的革新。手机、计算机简便化，MP3、平板电脑等电子设备也应运而生。
随后，国际各地的研讨人员遍历元素周期表中的元素，以期研发出更好的电池，但还没有任何一款电池能在高容量和高电压方面超越锂离子电池。当然，锂离子电池系统也在不断阅历演化和改善，这其间就包含古迪纳夫运用磷酸铁锂代替钴酸锂等，然后使得锂离子电池愈加环保。
锂离子电池的出产对环境有影响，但也有巨大的环境效益。锂离子电池推进了清洁动力技能和电动轿车的开展，然后有助于削减温室气体和细颗粒物的排放。
由此，古迪纳夫、惠廷汉姆和吉野彰的作业为无线通讯和无化石燃料的社会发明了恰当的条件，为人类开展做出了巨大的奉献。
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原文来自诺贝尔奖官方的诺奖解读
译者：诺奖小分队 审校：Cloudiiink
修改：Cloudiiink
