三位科學家獲獎

瑞典時間2019年10月9日11時45分（北京時間17時45分），瑞典皇家科學院秘書長戈蘭·漢松（Göran K. Hansson）代表諾貝爾化學獎評委會在斯德哥爾摩宣佈，將2019年度諾貝爾化學獎授予約翰•B•古迪納夫（John B. Goodenough）教授、M•斯坦利•惠廷厄姆（M. Stanley Whittingham）教授和吉野彰（Akira Yoshino）教授，以表彰他們在鋰離子電池的發展方面（for the development of lithium-ion batteries.）作出的貢獻。他們將平均分享900萬瑞典克朗（約合人民幣647萬元）的獎金。

2019年諾貝爾化學獎三位獲得者

時年已滿97歲的約翰·古迪納夫也成為獲獎時年齡最大的諾貝爾獎得主。

今年的諾貝爾化學獎被稱為最接地氣的一次，其研究成果是最接近我們日常生活的。鋰離子電池對我們來說太熟悉了，各種各樣的行動式電子裝置幾乎都離不開鋰離子電池。

諾獎趣聞之化學獎不“化學”，從歷年的化學獎獲獎名單來看，不少人的獲獎成就涉及到生物學、物理學等學科，而並非傳統的化學研究，因此諾貝爾化學獎也被不少科學家調侃為“理科綜合獎”，戲謔稱諾貝爾化學獎頒給物理學家，其成果有益於生物學家。例如2018年的化學獎頒給了三位生物學家，而2017年則頒給了三位生物物理學家。

獲獎者簡介

約翰•B•古迪納夫（John B. Goodenough），1922年7月25日生於德國耶拿。1943年在耶魯大學獲得數學系學士學位，1952年在芝加哥大學獲得物理學博士學位。獲獎時工作單位：美國得克薩斯大學奧斯汀分校。

2019年諾貝爾化學獎獲獎者：約翰•B•古迪納夫

古迪納夫出生於德國圖林根州的耶拿市，父母是美國人。1943年古迪納夫在耶魯大學獲得數學系學士學位，第二次世界大戰期間，他作為氣象學家在美國軍隊服役。1952年，他在芝加哥大學獲得物理學博士學位。1952到1976年，他在MIT的林肯實驗室工作，主要進行關於記憶體（RAM）的材料物理研究。1976年，古迪納夫進入牛津大學任教授並作為無機化學研究負責人。自1986年以來，古迪納夫一直是德克薩斯大學奧斯汀分校的教授，繼續從事能源材料的研究。

1980年，古迪納夫開發了一種以氧化鈷為陰極的鋰電池，這種陰極材料能容納鋰離子的存在，以此材料製造的電池的電壓更高。古迪納夫的貢獻在於提高了鋰離子電池的潛力，這對鋰離子電池的發展至關重要。

M•斯坦利•惠廷厄姆（M. Stanley Whittingham），1941年12月22日生於英國。1968年從英國牛津大學博士畢業。獲獎時工作單位：美國紐約州立大學賓厄姆頓大學。

2019年諾貝爾化學獎獲獎者：M•斯坦利•惠廷厄姆

斯坦利·惠廷厄姆出生在英國的諾丁漢。他在牛津大學學習，並於1968年獲得博士學位。在美國斯坦福大學(Stanford University)獲得博士後獎學金後，他在埃克森美孚(Exxon)和斯倫貝謝(Schlumberger)石油公司工作，1988年成為紐約州立大學賓厄姆頓大學(的教授。

上世紀70年代，斯坦利•惠廷厄姆開發了一種創新的鋰電池陰極。這是由二硫化鈦製成的，有層狀結構可以容納鋰離子。惠廷厄姆的貢獻在於初步確定了鋰離子電池的基本組成，並實現了鋰離子電池的初步嘗試商業化。

吉野彰（Akira Yoshino）, 1948年1月30日出生於日本吹田。1970年，吉野彰從京都大學工學部石油化學科畢業。1972年，吉野彰獲工學碩士學位。1972年，吉野彰進入旭化成工業株式會社，1994年，吉野彰擔任AT&T技術開發部長。2005年從大阪大學獲得工學博士畢業。獲獎時工作單位：東京旭化成株式會社名譽研究員、名古屋明治大學教授。

2019年諾貝爾化學獎獲獎者：吉野彰

吉野彰生於日本大阪的吹田市。從京都大學(Kyoto University)碩士畢業之後，吉野彰於1972年開始在旭化成化學公司(Asahi Kasei chemical company)工作。自2005年以來，他一直領導著自己在旭化成的實驗室。吉野彰於2005年在大阪大學獲得博士學位，2017年起擔任名古屋名州大學教授。

1985年，吉野彰(Akira Yoshino)開發了一種陽極為石油焦的電池，石油焦是一種碳材料，其層狀結構可以容納鋰離子。有了吉野彰教授的工作，鋰離子電池實現了電池正負極材料鋰離子化，避免了金屬鋰存在的安全隱患，從而製造出世界上第一種商業上可行的鋰離子電池。

頒獎典禮

瑞典時間2019年12月10日，2019年諾貝爾獎頒獎儀式在斯德哥爾摩音樂廳舉行，當天共有約1600人參加了頒獎儀式。12月10日是諾貝爾的逝世紀念日，每年的頒獎典禮都安排在這一天舉行。依照慣例，主辦方用諾貝爾去世地、義大利聖雷莫的鮮花裝飾頒獎臺。獲獎者們將乘坐豪華轎車抵達斯德哥爾摩音樂廳，在這裡接受由瑞典國王親自頒發的證書、獎章和獎金支票。隆重莊嚴的頒獎禮過後，包括諾獎得主、瑞典王室成員、各國政要等名流將從斯德哥爾摩的音樂廳移駕至市政廳，參加諾貝爾獎晚宴。

晚宴開始時，普通來賓會先在大廳中入座，瑞典王室成員和諾獎獲得者則將從二樓金色大廳的另一端出來，沿著欄杆走至金色大廳的另一端，再下樓進入一樓的藍色大廳。

晚上7時左右，瑞典國王會宣佈晚宴開始，眾賓客將共飲第一杯酒，向諾貝爾致敬。晚宴結束後，來賓們還可以參加在金色大廳舉辦的舞會。

一個有趣的插曲是，當初負責建造市政廳的設計師本想把一層大廳塗成藍天的顏色，但後來發現修建大廳的紅磚更有古樸的美感，從而造就瞭如今磚紅色的“藍廳”。

與保密性極強的諾貝爾獲得者名單一樣，諾獎晚宴的選單也神秘感十足。就連晚宴的廚師也只能提前三天拿到選單，且絕不可向外透露。諾獎晚宴通常為客人準備三杯酒、三道菜(前菜、主菜和甜品)，像海鮮、鹿肉等瑞典特色的食材，出現在選單上的頻率較高。據諾貝爾獎官網的資料，2018年時的晚宴選單為：紅點鮭魚龍蝦湯、法式醬糜和混合蘋果。

此外，晚宴使用的餐具也極盡奢華。其餐具每套成本高達6000瑞典克朗(約合4500元人民幣)，包括十幾把鍍金刀叉，十餘件金邊碗碟，以及標有諾貝爾標誌的十幾種全手工製作的酒杯。這套餐具每年只會使用一次，平時都被鎖在市政廳的保險櫃裡。

研究工作介紹

2019年諾貝爾化學獎用於獎勵鋰離子電池的發展。

電能是一種經濟、 實用、清潔且容易控制和轉換的能源，現在我們的生活已經離不開電能了，無論何時何地，我們都需要電能。我們需要在沒有電源插座的地方也更更方便、更高效地獲取電能，這樣可以擺脫電線的限制，就能無拘無束地使用各種行動式電子裝置，電動工具和電動汽車等，享受現代生活的便利和科技的成果，這需要高效的能量儲存裝置。此外，對於風能和太陽能等波動能源來說，也需要高效的能源儲存作為補充。

據推測，可能古代埃及人就已經學會製造電池了。但直到1800年3月20日，亞歷山德羅·伏特（Alessandro Volta）宣佈發明了著名的伏打電堆，這是目前公認的世界上第一個電池，能提供可靠穩定的電流，也促進了當時的電磁學的研究。1859年普蘭特發明了鉛蓄電池，至今仍然發揮作用。1899年，甄格（Waldemar Jungner）首次報道了鎳鐵和鎳鎘電池，到1989年類似的鹼性電池——鎳氫電池實現商業化。

電池的工作原理比較簡單，如下圖所示。電池由兩個電極組成，每個電極連線一個電路形成一個閉合電路。通常情況下，正負電極材料不能相互接觸，否則會短路。電池放電的時候，負極（陽極）材料發生氧化反應，釋放電子，電子從外接電路中移動到正極，而正極材料（陰極）得到電子後發生還原反應。電池的電壓取決於正負電極的電位差。對於可充電電池來說，充電時發生的是上述放電反應的逆過程。

電池原理示意圖

20世紀中期，世界上燃油車的保有量已經很龐大了，其排放的廢氣嚴重汙染環境，同時人們也意識到石油是不可再生資源。汽車製造商和石油公司未雨綢繆，開始投資於電動汽車和替代能源，但這兩者都需要容量大的高效電池，但此時市場上只有發明於1859年的鉛蓄電池和20世紀初的鎳鎘電池。

我們需要一種能量密度更高容量更大的電池。人們把目光投向了元素週期表中的元素，重量輕，又容易失去電子的鋰元素就走入了科學家的視野。

鋰，是一種在宇宙大爆炸的最初幾分鐘內就產生的化學元素，英文為lithium，元素符號Li，原子序數為3，是最輕的金屬，其密度僅為0.53g/mL。1817年，瑞典化學家約翰·奧古斯特·阿夫韋德森和Jöns雅各布·貝採裡烏斯從Utö礦區的礦物樣品中提煉出了這種物質。貝採裡烏斯以希臘單詞lithos(石頭)命名這種新元素。

鋰元素示意圖

鋰還具有很低的標準還原電位，這個意味著可用於製造高密度、高電壓的電池。但是，鋰是一種鹼金屬元素，性質相對活潑，容易跟水和空氣發生反應。要在電池中使用鋰，除了必須完全隔離水和空氣，還需要非水電解質，同時也要考慮惰性，熔點，氧化還原穩定性，鋰離子和鋰鹽的溶解度，離子/電子轉移速率，黏度等因素。總結來說，鋰只有被馴化後才能用於製造安全的高效能電池。

如果要採用鋰元素來製造電池，由於放電時負極是釋放電子的，而金屬鋰本身就容易失去一個電子變成鋰離子，所以負極材料可以直接採用金屬鋰來製造。但是採用金屬鋰作為負極後，還需要一個跟它相匹配的正極材料——能以高轉移速率容納鋰離子的高還原電位材料。

石油巨頭埃克森當時也招募了許多研究人員進行能源研究，斯坦利•惠廷厄姆(Stanley Whittingham)是1972年從斯坦福大學跳槽到埃克森美孚的人之一。惠廷厄姆在斯坦福時研究一些具有層狀結構的固體材料，帶電離子可以透過嵌入的方式在其中附著存在，這種現象叫做插層，當離子被捕獲附著在上面時，材料的性質會發生改變。而在埃克森公司後，惠廷厄姆仍舊研究在二硫化鉭插入離子，只是改變為研究材料的電導率變化情況，以期發現超導材料。

當惠廷厄姆研究鉀離子插入二硫化鉭時，觀察到這種材料具有非常高的能量密度，他測量材料的電壓時，超過1伏特，這比當時的許多電池都要好。惠廷厄姆意識到這可用於製造新型電池技術。但是，鉀離子和鉭元素都比較重，結合之前鋰元素可用於製造高密度高電壓的認知，惠廷厄姆用鋰離子取代了鉀離子，又用鈦元素取代了其中的鉭元素，因為鈦也有類似的性質，但其密度更輕，於是就得到了鋰二硫化鈦LixTiS2（0＜x＜1），可用作鋰離子電池的正極材料。

尋找到合適的正極材料以後，惠廷厄姆在1976展示了可充電的鋰離子電池，如下圖所示，該電池使用金屬鋰為負極（陽極），TiS2為正極（陰極），LiPF6為電解質，碳酸丙烯酯為溶劑。電池電壓為2.5V，初始電流10mA/cm2。經過對電極材料和電解質的改性後，電池在低充放電比下迴圈1100次無明顯可逆性損失，這成為商業化電池的起點。

1976年的鋰離子電池

但是這種電池，並沒有完全避免金屬鋰的使用，也就沒有完全馴服性質活潑的金屬鋰，經過多次的反覆充放電迴圈後，金屬的表面會形成鋰枝晶。這個鋰枝晶一直是鋰離子電池最大的隱患。枝晶會不斷生長，穿透電解液的隔離層，到達相反的電極，造成短路和火災隱患。這個問題極其棘手，使得鋰離子電池的商業化基本陷入了停頓。

鋰枝晶示意圖

80年代初石油價格急劇下跌，埃克森需要削減開支而將惠廷厄姆的電池技術授權給世界上不同地區的三家不同公司。

與此同時，世界上還有另一個科學家對電池產生了興趣，古迪納夫曾經在麻省理工學院的林肯實驗室工作多年，為計算機中的記憶體（RAM）材料的發展做出了貢獻。70年代的石油危機讓古迪納夫想要轉換方向從事能源研究，但林肯實驗室由美國空軍資助，研究受到一定的限制。所以一直到他跳槽到牛津大學任教時，方才藉機進入了能源研究的領域。

古迪納夫知道惠廷厄姆的研究成果，但他認為對於正極材料來說，金屬氧化物比金屬硫化物具有更大的潛力，他需要找到一種金屬氧化物，插入鋰離子時能產生高電壓，而鋰離子被移除掉後期結構不會崩潰。很快他就發現陰極為鋰鈷氧化物的電池產生的電壓高達4伏，而惠廷厄姆電池的電壓僅為2伏。這能極大提升了鋰離子電池的潛力。

LixCoO2材料製造的電池

故事到這裡，鋰離子電池的正極材料基本解決得差不多了，已經具有很強的實用性了。但是負極材料仍舊是直接採用金屬鋰，針對金屬鋰對電池存在的隱患，因此科學家提出了替代方案如離子轉移電池結構，其中兩個電極都可以容納鋰離子，這樣就能避免直接使用金屬鋰了。首先科學家考慮的是石墨等碳材料，但實踐證明，石墨材料存在電極的脫落和破壞問題。因此科學家還需要探索研究更合適的材料。

雖然科學家對新型電池的研究仍在繼續，但在西方，隨著石油價格下降，人們對鋰離子電池等替代能源技術的興趣減弱。相反，在地球另一端的日本，電子產品公司迫切需要重量輕、可充電的電池，為攝像機、無線電話和電腦等新型電子產品提供動力。

1985年，日本旭化成公司的吉野彰研究小組發現熱處理後的石油焦可以避免原先石墨材料的脫落問題，也能容納大量的鋰離子。有了這個高效的負極材料，吉野彰研發了一種基於鋰離子轉移的高效鋰離子電池。

吉野彰的鋰離子電池

此電池使用上述的石油焦碳材料作為電池的負極，古迪納夫發現的LixCoO2材料作為正極，聚乙烯或聚丙烯為隔板，電解質為LiClO4，溶劑為碳酸丙烯酯。吉野彰教授還設計安全測試裝置，表明該電池被重物墜落擊中後不會引起火災或爆炸，這比基於金屬鋰負極的電池的安全性得到了極大的提高。

上述的研究成果最終導致了1991年商用鋰離子電池的問世。該電池仍舊使用石油焦陽極材料，LixCoO2陰極材料，電解質換為LiPF6，溶劑仍為碳酸丙烯酯。其充電電壓高達4.1V，能量密度為~80 Wh/kg或~200Wh/L。與當時市場上的鎳氫等電池相比，鋰離子電池具有很強的競爭力，並且為後面的移動革命鋪平了道路。

後面人們發現石墨與合適的電解質組合使用，會在石墨電極表面形成特殊的固態電解質介面相，從而保護碳材料不被脫落和分解，開發出石墨負極材料的下一代鋰離子電池，充電電壓4.2V，能量密度~400 Wh/L。

鋰離子電池的研究仍在繼續。例如古迪納夫團隊開發出新型的正極材料：尖晶石材料Li1-xMn2O4和橄欖石材料LixFePO4 (LFP)。其中的磷酸鋰鐵（LiFePO4），比之前的CoO2正極材料更具優越性，因此已成為當前主流的正極材料。三元聚合物鋰電池,是指正極材料使用鎳鈷錳酸鋰（Li(NiCoMn)O2）或者鎳鈷鋁酸鋰的，其中鎳鈷錳的比例可以根據實際需要調整，三元正極材料的電池能量密度較大，但迴圈壽命較短，安全性比磷酸鐵鋰略低一些（受到撞擊和高溫時起火點較低）。

最後用一張圖總結鋰離子電池的發展歷程及三位獲獎者的貢獻，如下圖所示。

鋰離子電池的發展歷程

總結來說，古迪納夫，惠廷厄姆和吉野彰的發現可以說對我們的世界產生了巨大的影響。鋰離子電池已成為移動電子革命的重要組成部分。有效的能源儲存是許多用於發電的能源的已知先決條件。在過去的幾十年裡，這一發展取得了迅速的進展，我們可以期待在電池技術方面有更多重要的發現。這些未來的突破無疑將進一步改善我們的生活，不僅方便我們的生活，而且還會影響全球和當地的環境，並最終影響我們整個星球的可持續性。

參考資料：

https://www.nobelprize.org