清華大學鋰電研究教授張強認為，化學諾獎頒給鋰電領域，是對每一位鋰電從業者的認可，是對志在繼續推動清潔便攜能源的人士的激勵。

[作者簡介]

張強

清華大學化學工程系教授，從事能源材料研究，尤其是金屬鋰、鋰硫電池和電催化的研究。"北京地區廣受關注學術論文"化學學科報告人。曾獲國家自然科學基金傑出青年基金、2017-2018年科睿唯安全球高被引科學家等。

編輯/吉菁菁 新媒體編輯/陳炫之

2019年10月9日，瑞典皇家科學院宣佈，美國德州大學奧斯汀分校約翰·巴尼斯特·古迪納夫(John B. Goodenough)、美國紐約州立大學賓漢姆分校斯坦利·威廷漢（M. Stanley Whittingham） 和日本旭化成株式會社吉野彰(Akira Yoshino)三人獲得2019年諾貝爾化學獎，以表彰他們對鋰離子電池研發的貢獻（for the development of lithium-ion batteries）。

三位科學家領銜發展的行動式二次電池，開啟了電子裝置便攜化程序，促進了清潔能源的發展，極大地改變了人們的生活方式。此外，97歲的約翰·巴尼斯特·古迪納夫教授成為了諾貝爾獎歷史上最高齡獲獎者。諾貝爾化學獎頒給鋰電領域的三位科學家，是對每一位為鋰電池從無到有、從實驗室走向商業化的做出貢獻的鋰電從業者的認可，是對仍在從事鋰電研究和志在繼續推動清潔、便攜社會發展的人的激勵。

毫無疑問，鋰電已經逐漸深入到社會的方方面面，與你我的生活朝夕相處。此次諾貝爾化學獎授予鋰電領域的科學家，彰顯了鋰離子電池作為能源儲存器件，有效地滿足了人們對美好生活的嚮往。

20世紀70年代，由石油危機直接促成了鋰電池研發的開端。美國石油巨頭埃克森公司（Exxon）判斷石油資源作為典型不可再生資源，將不久之後面臨枯竭，於是組建團隊開發下一代替代石化燃料的能源技術。斯坦利·威廷漢提出了一種新的全新的二硫化鈦作為正極材料，可以在分子層間儲存鋰離子。當其與金屬鋰負極匹配的時，電池電壓高達2V。然而，金屬鋰活性高，導致電池安全風險大。當時在英國牛津大學的無機化學實驗室擔任主任的古迪納夫推斷，採用金屬氧化物替代硫化物作為正極，可以實現更高電壓，改善鋰離子電池的效能。

1980年，古迪納夫用鈷酸鋰作為電池正極，可將電池的電壓提高到4V。鈷酸鋰的橫空出世是鋰離子電池領域的極大突破，至今仍是行動式電池的主力正極材料。受制於金屬鋰負極的不穩定特性，當時鋰離子電池的安全性仍是嚴重的問題。

1985年，吉野彰採用石油焦替換金屬鋰作為負極，發明了首個可用於商業的鋰離子電池。1991年日本索尼公司釋出了首個商用鋰離子電池。經過三十多年的工業化發展，鋰離子電池的能量密度、成本和安全性取得了長足進步，並深入到我們生活的方方面面。正如諾貝爾獎委員會表示，'鋰離子電池已經徹底改變了我們的生活，廣泛用於從手機到筆記本及當代的電動汽車。他們三位的研究為推動一個無線（可移動），無化石燃料的社會奠定了基礎'（Lithium-ion batteries have revolutionised our lives and are used in everything from mobile phones to laptops and eletric vehicles. Through their work, this years' Chemistry Laureates have laid the foundation of a wireless, fossile fuel-free society）。

鋰離子電池從基礎到廣泛應用的成功離不開多學科、多領域、多國家的交叉合作。鋰離子電池從原理提出到現在商業化，歷經五十多年的路程，其間充滿了曲折。鋰離子電池是一個涉及物理、化學、材料、能源、控制、資訊、電力等領域的交叉體系，通過內部的化學反應實現能源的儲存。支撐當代鋰電池走入每個人的生活，不僅是科學家原創思想的產生，還有工程人員的研發試製，產業行業的建立和標準確立，終端使用者的應用開發和產品推廣等多個環節。在以諾貝爾化學獎得主約翰·巴尼斯特·古迪納夫，斯坦利·威廷漢和吉野彰為代表的廣大鋰離子電池研究人員的不斷交流合作和互相啟發下，鋰離子電池才能在波折中不斷前進。

時至今日，鋰離子電池的發展也逐漸走向成熟，迴圈壽命、成本、安全性方向都有極大的提升。基於此，行動式裝置、電動汽車和儲能電站也蓬勃發展，清潔能源的利用更加高效，人們的生活和出行方式極大改變。中國的鋰離子電池技術和市場也湧現出一大批具有國際競爭力的新能源企業，如CATL，比亞迪等，在行動式電池和動力電池領域具有更高的話語權，推動美麗中國的建設。

今年的諾貝爾化學獎授予給鋰電池領域是對這個行業的巨大的一種肯定，也是對這個行業的一種激勵。隨著鋰電池應用推廣，鋰電池領域發展還面臨了更艱鉅的挑戰。

受制於鋰離子電池原理的限制，現有體系的鋰離子電池能量密度從每年7%的增長速率已經下降到2%，並逐漸逼近其理論極限。與之相反，隨著社會的進步，人們對便攜、清潔的生活的需求更加強烈。如何提出新原理、新體系、新方法實現能量密度更高、更安全、充電更快的儲能過程？如何在電子、原子、分子、材料尺度理解儲能過程中電極的演變規律？如果鋰電池成為未來社會儲能的主體，如何結合地球上有限的資源，實現電池的全鏈條回收和再製造還是懸而未決的挑戰。在這樣的形勢下，湧現出鋰硫電池、鋰空電池、鈉離子電池、鉀離子電池、鎂離子電池、鋁離子電池、鋅離子電池、固態電池等許多新體系電池。新材料的產生，也給這些新體系的發展帶來了新機遇。

▲張強團隊的論文刊登在能源領域知名期刊《焦耳》（Joule）封面，採用了隱喻的方式表述"複合鋰金屬負極"設計思想，基於親鋰碳纖維的複合鋰金屬負極比喻成船，能夠在熔融鋰的"海洋"中穩定航行（圖片來源：清華大學官網）

例如，將奈米碳材料引入到金屬鋰負極中，能夠產生親鋰特性調控金屬鋰的形核和沉積，提升金屬鋰負極的利用效率和安全性；複合固態電解質引入二次電池中，帶來了鋰離子的新輸運機制，降低可燃物質的比例，提升了電池的安全性；採用鈉、鉀、鋁、鋅等離子並研發其能源化學新原理，有望提出具有獨特性質的新型儲能器件，有效滿足未來社會對於儲能裝置的新需求。

▲2019年9月20日，由北京市科學技術協會主辦的"北京地區廣受關注學術論文系列報告會"化學場上，張強教授做了關於《高安全金屬鋰負極》的報告。（攝影：張星海）

中、美、日、韓、德、英等國都制定了各自的電池發展戰略，以望推動電池原理的創新以及核心技術的開發，支撐當代社會的可持續發展。下一代解決能源儲存與轉化技術的突破，正在來臨的路上。

出品：科普中央廚房

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