近日，2019年诺贝尔化学奖颁给了美国德州年夜学奥斯汀分校约翰·古迪纳夫、美国纽约州立年夜学宾汉姆分校斯坦利·威廷汉和日本旭化成股份有限公司吉野彰三人，以表扬他们对锂离子电池研发的出色进献。那末，锂电池是若何研发出来的？将来的成长将会如何？

1没有锂电池就没有移动智能糊口

我们早已糊口在一个“可充电的世界”，但真正带来电子装备便携化，开启了现代移动糊口的则是锂电池。可以说，假如没有锂电池，就没有我们此刻的移动智能糊口。

锂电池因重量轻、可充电、功能壮大且便携，被普遍利用在从手机到笔记本电脑等各个范畴。它在全球规模内用在为便携式电子装备供电，我们利用这些便携式电子装备通信、工作、进修和文娱。

锂电池还增进了长续航电动汽车的开辟和来自可再生能源（例如太阳能和风能）的能量存储，为实现一个无线（可移动）、无化石燃料的社会打下基石。可以说，锂离子电池作为能源存储器件，完全地改变了人类的糊口。

此次诺贝尔化学奖授与三位锂电范畴的科学家，是对每位为锂电池从无到有、从尝试室走向贸易化做出进献的锂电从业者的承认，是对仍在从事锂电研究和志在继续鞭策洁净、便携社会成长的人们的鼓励。

2石油危机直接促进了锂电池研发

20世纪70年月，石油危机直接促进了锂电池研发。美国石油巨子埃克森公司判定，石油资本作为典型不成再生资本，将在不久以后面对枯竭，在是组建团队开辟下一取代代石化燃料的能源手艺。

而锂电池就是人们提出的新型电池之一。那时，供职在埃克森公司的斯坦利·威廷汉提出了一种全新的材料二硫化钛作为正极材料，可以在份子层间贮存锂离子。当其与金属锂负极匹配时，电池电压高达2V。

但是，因为金属锂负极活性高，带来极年夜平安风险，这类电池并未取得推行。但科学家们并未抛却摸索，既然问题出在电极材料上，也许替代电极就可以解决问题。

那时在英国牛津年夜学的无机化学尝试室担负主任的古迪纳夫揣度，采取金属氧化物替换硫化物作为正极，可以实现更高电压，改良锂离子电池的机能。

1980年，古迪纳夫用钴酸锂作为电池正极，可将电池的电压提高到4V。钴酸锂的横空出生避世是锂离子电池范畴的极年夜冲破，它至今还是便携式电池的主力正极材料。

3上世纪90年月呈现首个商用锂电池

但受制在金属锂负极的不不变特征，那时锂离子电池的平安性还是严重的问题。1985年，日本科学家吉野彰采取石油焦替代金属锂作为负极，用钴酸锂作为正极，发现了首个可用在贸易的锂离子电池。1991年，日本索尼公司发布了首个商用锂离子电池。

颠末三十多年的工业化成长，锂离子电池的能量密度、本钱和平安性获得了长足前进，并深切到我们糊口的各个方面。

在今朝普遍利用的商用锂电池中，锂离子在以非凡层状材料作为电池正负极的“主人”家里，随便地往返“串门”，以完成电池充放电工作。

需要指出的是，固然锂离子这个嵌入与脱嵌的“串门”进程，其实不影响“主人”家里的物资布局，但全部进程还是化学反映而非物理反映。

4锂电池还很年夜成长空间

本年的诺贝尔化学奖授与锂电池范畴，是对这个行业庞大的必定和鼓励。锂电池从降生成长到利用推行，当下仍面对着诸多艰难的挑战。

从1991年索尼公司贸易化出产第一批锂离子电池至今，上述锂离子往返“串门”的“摇椅式电池”成了最有前程和成长最快的市场。但受制在锂离子电池道理的限制，现有系统的锂离子电池能量密度已从每一年7%的增加速度降落到2%，并正在逐步迫近其理论极限。与之相反，跟着社会前进，人们对便携、洁净糊口的需求加倍强烈。

采取更少质量贮存更多电量的电极材料，有望修建能量密度更高的锂离子电池。金属锂的比容量高达3860mAh/g，是修建高比能电池的最终材料。但直接把金属锂作为电池负极材料利用的话，始终逃不开一个“跗骨之蛆”——枝晶。面临这个造成锂电池平安隐患的“年夜敌”，世界列国的科学家正在进行不懈尽力。

5应对锂电池平安的年夜敌“枝晶”

我们都知道，电池分为正极、负极和电解质，经由过程氧化还原反映来发生电流，放电时离子从负极流向正极，充电时从正极流向负极。

对锂电池来讲，放电时锂会被氧化成离子进入电解质终究抵达正极；从头充电时，这些锂离子会再沉积到锂金属负极的概况。

可是这类沉积常常不平均，跟着锂电池的频仍利用，锂金属概况会长出针状或树枝状的环球app体育锂枝晶。枝晶发展得太长就会折断，不再介入反映，给电池系统带来不成逆的容量损掉；最环球app官网危险的是，长年夜的枝晶会刺破电池正负极之间的隔阂，造成短路，埋下电池过热自燃或爆炸的平安隐患。

锂电范畴里，若何做到“鱼与熊掌兼得”？若何经由过程提出新道理、新系统、新方式，实现能量密度更高、更平安、充电更快的储能进程？这些都是锂电范畴将来面对的挑战。

在如许的情势下，出现出了锂硫电池、锂空电池、钠离子电池等很多新系统电池。新材料的不竭发生，也给这些新系统的成长带来了新机缘。

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我国锂电研究者正在展开年夜量原创工作

中美日韩德英等都城制订了各自的电池成长计谋，以期鞭策电池道理的立异和焦点手艺的开辟，支持今世社会的可延续成长。我国锂电研究者们在国度和社会的撑持下，环绕高效能量存储这个不变的“初心”，延续展开科学研究。

今朝锂电池范畴主流研究标的目的仍聚焦在寻觅更平安高效的负极材料。由笔者率领的清华年夜学研究团队从2013年最先，在金属锂负极形核和无枝晶发展范畴展开了原创性的科学研究。

研究发现，在金属锂负极中添加具有亲锂性的掺氮碳骨架，让电池中游离的锂离子在充电初始，就像小蝌蚪找妈妈一样，优先奔向田鸡妈妈——掺氮位点，在电池中构成平均散布的金属锂“小集体”；在充电进程中，“小蝌蚪和田鸡妈妈”的“小集体”继续“抱团”。这类平均沉积的行动可以避开以往形核少而发生的金属锂枝晶发展。

基在上述功效的论文2017年被化学范畴顶级期刊《德国利用化学》选为封面，本年还入选了由北京市科学手艺协会主办的“北京地域广受存眷学术论文”评选勾当。环球app网站研究团队在上述能源化学机理的根本上，进一步设计了碳锂复合负极。这些复合金属锂负极不但避开了“危险的枝晶”，还表示出了优良的电化学机能，有用晋升了金属锂负极的操纵效力和平安性，也为基在金属锂的二次电池供给了新的适用化摸索思绪和更广漠的利用前景。

除锂电池以外，采取钠、钾、铝、锌等离子并研发其能源化学新道理，也有望提出具有怪异性质的新型储能器件。除电化学储能以外，采取其他能源存储和转化体例和新型能源载体，有望修建具有倾覆性的储能手艺，知足将来社会对储能装备的新需求。

下一代解决能源存储与转化手艺的冲破，已在路上。

（作者系清华年夜学化学工程系传授、“北京地域广受存眷学术论文系列陈述会”化学学科陈述人）