青云

如果没有锂电池，这个世界会怎么样？或许我们最直观的感受是：没有小巧轻便的智能手机可用了！锂电池的出现，让我们可以随身携带一些小电器，这当然包括几乎每天都离不开的智能手机，还有笔记本电脑、平板电脑、充电宝、电动牙刷等，甚至越来越多的新能源汽车也主要依赖锂电池供电。

目前，有数以万计的科学家在研究对我们日常生活产生深远影响的锂电池。其中具有开创性贡献的3位科学家获得了2019年诺贝尔化学奖，他们分别是美国科学家约翰·古迪纳夫、斯坦利·惠廷厄姆和日本化学家吉野彰。诺贝尔评奖委员会称三人的获奖原因是：“他们创造了一个可充电的世界。”

电池储电历史由来已久

1752年，美国科学家富兰克林著名的“风筝引电”实验开启了人类对电的研究。然而，人们起初只知道如何直接利用电能，却不知道如何将其储存起来。1800年，意大利物理学家伏打把许多对圆形的铜片和锌片相间地叠起来，并在每一对铜锌片之间放上一块用盐水浸湿的麻布片，接着把这些金属片用导线相连就产生出了电流。这是人类历史上第一个真正的发电器，也就是电池组，也叫“伏打电堆”。

1859年，法国物理学家普朗泰发明了铅蓄电池，这一发明至今还用于不少工业机械中。1860年，法国的雷克兰士发明了“湿电池”，它的负极是锌和汞的合金棒，正极是一个盛着电解质溶液的杯子。1886年，俄罗斯人盖斯将锌片做成圆筒形来盛装电解质，又将面粉和淀粉作为电解质溶液的凝胶剂，从而制造出可以随身携带的干电池。

1898年，瑞典人尤格涅尔发明了镍镉电池，目前仍被广泛使用。1941年，法国人安德烈发明了微型纽扣电池（又称锌银电池），它们被广泛用于电子手表、遥控器、主板等中。1960年，美国一家公司发明了可充电的干电池，现在部分小电器还在使用。

有些危险的锂金属电池

20世纪70年代，石油危机催生了对新能源储能的需求，也推动了电池的研发。虽然石墨已被证明是迄今用于制作阴极最好和最可靠的物质，但它容纳的离子数量有限。因此，研究人员希望用锂来取代石墨，因为它可以容纳更多的离子。此后发展出来的锂电池大致可分为2类：锂金属电池和锂离子电池。世界上首块锂电池是锂金属电池，于1976年由惠廷厄姆发明，其负极材料为金属锂，正极材料为硫化钛。

惠廷厄姆供职的埃克森美孚公司申请了世界上第一个锂电池的发明专利，但却没有对其进行投产，因为惠廷厄姆发明的电池是无法直接使用的，其中存在着明显的成本问题和安全问题。这种电池的正极是伴有恶臭与毒性的二硫化钛，当时每千克的售价是1000美元;这种电池的负极是易燃易爆的金属锂，它还会快速沉积让电池短路，引发电池过热，从而出现燃烧现象。显然，惠廷厄姆的新发明并不适合用来生产大众使用的电池。不过，诺贝尔评奖委员会并没有因为惠廷厄姆的电池不实用而忽略其开创性的贡献。

虽然自诞生之日起，锂金属电池就由于其安全性而未能进入实际应用领域，但是科学家一直没有放弃对它的研究。2016年，美国麻省理工学院的一家公司开发出新型锂金属电池，它以超薄的锂金属箔为负极，以聚合物导电陶瓷为正极，从而极大地缩小了电池体积。从理论上来说，如果电池体积不变，在搭载锂金属电池的情况下，电动汽车的续航里程将提升一倍。

科学家还在探索锂空气电池的应用可能性，它将金属锂作为负极，用碳基多孔电极作为正极，以空气中的氧气作为正极反应物质。锂空气电池的充放电过程类似于植物的新陈代谢过程：在放电过程中，电池吸收空气中的氧气，锂在负极失去电子而成为锂離子;充电过程正好相反，锂离子成为金属锂，并生成氧气扩散在空气中。因此，锂空气电池被称为“会呼吸的电池”。

比较安全的锂离子电池

由于锂金属电池具有一定的危险性，人们一度对锂电池的应用前景心存怀疑。而锂离子电池的出现则大大提升了锂电池的效率和安全性，我们现在所用的锂电池也主要是锂离子电池。甚至有人声称，如果没有锂离子电池的出现，我们每天形影不离的手机就是个随时可能点燃的炸药包。自20世纪90年代起，锂离子电池开始大规模进入市场，如今它已无处不在。

在惠廷厄姆发明的基础上，古迪纳夫产生了一个巧妙的设想：把锂金属换成锂的氧化物，因为锂的氧化物十分稳定，不会燃烧或爆炸，而且可以让电池在更高的电压下进行充电和放电，产生更多的电量。1980年，古迪纳夫发现，作为正极材料，钴酸锂比之前的二硫化钛更适合存储锂离子。

与此同时，吉野彰发现石油焦炭可作为更好的负极。在他因找不到合适的正极材料而苦恼时，古迪纳夫的论文给他带来了灵感。1983年，吉野彰利用钴酸锂制造出了世界上第一块可充电的锂离子电池。1985年，经过吉野彰进一步改进的锂离子电池获得专利。

1991年，古迪纳夫和吉野彰合作发明的锂离子电池正式上市销售，它轻巧耐用、安全可靠，在性能下降前可充放电数百次。他们生产的第一代商用锂离子电池，以石墨为负极材料。2007 年，科学家又制成了以硅石墨复合材料为负极的锂离子电池，储电性能也大大增强。

给予我们清洁的未来

诺贝尔委员会成员奥洛夫·拉姆斯特伦评价古迪纳夫等人的获奖成果时说：“这一神奇电池所带来的巨大的、惊人的社会影响有目共睹。”而诺贝尔委员会的评语为：这一获奖研究有助于我们从由化石燃料驱动的生活方式转向由电能驱动的生活方式，这对于应对气候变化也至关重要，因此极大地推动了人类的发展。

目前，锂电池被广泛应用于水力、火力、风力和太阳能电站等储能电源系统，还被应用于邮电通信、电动工具、电动自行车、电动摩托车、电动汽车、军事装备、航空航天等多个领域。锂电池未来最重要的应用领域是电动汽车。电动汽车的出现比我们想象的要早，1882年，法国人特鲁夫就已经用马车改装出了世界上第一辆铅酸蓄电池电动汽车，但蓄电池不给力始终是阻碍电动汽车发展的最大问题。而大容量锂离子电池的出现，使电动汽车的推广成为可能。我们相信，在古迪纳夫等科学家的共同努力下，人类将拥有清洁的未来。