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2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予美國(guó)固體物理學(xué)家約翰·巴尼斯特·古迪納夫（John B Goodenough）、英國(guó)化學(xué)家斯坦利·威廷漢（Stanley Whittingham）和日本化學(xué)家吉野彰（Akira Yoshino），以表彰他們發(fā)明鋰離子電池方面做出的貢獻(xiàn)。

三位科學(xué)家將平分諾獎(jiǎng)獎(jiǎng)金。我們大多數(shù)人都知道前面兩個(gè)人對(duì)鋰離子電池的貢獻(xiàn)，因?yàn)樗麄儼l(fā)表了很多論文，對(duì)吉野彰知之甚少。但是，如果沒(méi)有將紙上的知識(shí)進(jìn)行應(yīng)用，做成產(chǎn)品，鋰離子電池也無(wú)法做出那么大的貢獻(xiàn)，諾貝爾獎(jiǎng)更是無(wú)從談起。

Nature Energy將三位獲獎(jiǎng)?wù)叩幕仡欁龀闪艘粋€(gè)系列，今天我們來(lái)看看第三集，日本化學(xué)家吉野彰回顧自己是如何把鋰離子電池造出來(lái)的，他的貢獻(xiàn)是什么。

他研究過(guò)膠膜、保溫材料、光催化劑，最終憑這個(gè)拿了諾貝爾獎(jiǎng)！

從聚乙炔到碳陽(yáng)極。碳質(zhì)陽(yáng)極是第一批商業(yè)化可充電鋰離子電池拼圖中的最后一塊重要材料。它的發(fā)明者講述了如何尋找一個(gè)研究課題導(dǎo)致了這一突破。

我于1972年加入旭化成公司，開(kāi)始從事基礎(chǔ)探索性研究工作。這類研究從選擇研究對(duì)象開(kāi)始，研究人員可以決定是否繼續(xù)或在以后的時(shí)間切換到另一個(gè)研究對(duì)象。我研究過(guò)夾膠玻璃膠膜、建筑無(wú)機(jī)保溫材料、可見(jiàn)光下的光催化劑，用于殺菌、防污、除臭等應(yīng)用。

1981年，當(dāng)我在尋找我的第四個(gè)研究課題時(shí)，我參觀了我的母校京都大學(xué)，在那里我看到了一種叫做聚乙炔的新材料的樣品。白川英樹(shù)發(fā)現(xiàn)了這種物質(zhì)，并于2001年獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。雖然聚乙炔是一種塑料，但它像金屬一樣有銀色的光澤，而且令人驚訝的是，它還具有導(dǎo)電性能。我意識(shí)到這是一種有趣的材料，于是決定在自己的實(shí)驗(yàn)室里制作樣品。

起初我對(duì)聚乙炔的研究與電池完全無(wú)關(guān)，但很快我意識(shí)到聚乙炔不僅能導(dǎo)電，而且具有電化學(xué)性質(zhì)。這意味著聚乙炔具有作為電池材料的潛力。

在20世紀(jì)80年代，大量的研究都集中在使用非水電解質(zhì)制造小型、輕型電池上。這在很大程度上是由Whittingham在由金屬鋰陽(yáng)極和TiS₂陰極組成的電池中演示的電化學(xué)插層的新概念所驅(qū)動(dòng)的。盡管進(jìn)行了大量研究，但事實(shí)證明，新型可充電電池很難商業(yè)化。這是因?yàn)殛?yáng)極含有麻煩的金屬鋰，會(huì)導(dǎo)致容量迅速下降和電池安全問(wèn)題。我對(duì)聚乙炔作為陽(yáng)極材料的特性進(jìn)行了評(píng)估，發(fā)現(xiàn)電解液經(jīng)過(guò)優(yōu)化后容量大，反復(fù)充放電后降解率很小。

雖然在陽(yáng)極的循環(huán)性能是有希望的，我必須找到一個(gè)最佳的陰極材料與它配對(duì)。事實(shí)證明這是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。當(dāng)時(shí)很多正極材料，如TiS₂，都不合適，因?yàn)樗鼈儾缓囯x子。因?yàn)槌潆姾头烹姸夹枰囯x子，所以如果正極和負(fù)極都不含鋰離子，我就不能做電池。

后來(lái)我看到Goodenough的一篇論文，描述LiCoO₂是一種含有鋰離子的新型陰極材料。這正是我一直在尋找的東西。我在1983年合成了LiCoO₂作為正極材料，與我的聚乙炔陽(yáng)極配對(duì)，創(chuàng)造了一個(gè)新的電池系統(tǒng)。

在評(píng)估這種新電池的原型時(shí)，我遇到了另一個(gè)問(wèn)題。我的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)小尺寸和輕重量，但雖然我的電池很輕，他們不能做小。這是因?yàn)榫垡胰驳谋戎貫?.2，非常低。我計(jì)算我需要一個(gè)負(fù)極材料的比重至少為2.0，以實(shí)現(xiàn)小尺寸和輕重量。

我不情愿地放棄了聚乙炔。然而，我很快意識(shí)到，碳將有足夠高的比重和潛力提供類似于聚乙炔作為陽(yáng)極材料的功能。我評(píng)估了世界上我能找到的所有碳材料，但很難找到合適的。

就在我要放棄的時(shí)候，我了解到旭化成的另一個(gè)實(shí)驗(yàn)室正在研究一種叫做氣相生長(zhǎng)碳纖維(VGCF)的新材料。我評(píng)估了一個(gè)樣品，發(fā)現(xiàn)它在我的電池系統(tǒng)中作為負(fù)極材料有很好的性能。VGCF是用一種特殊的方法制成的，使其具有特殊的晶體結(jié)構(gòu)。這種晶體結(jié)構(gòu)被證明是陽(yáng)極的理想結(jié)構(gòu)。1985年，我完成了現(xiàn)在鋰離子電池的基本結(jié)構(gòu)。

后來(lái)發(fā)現(xiàn)，要將基于該系統(tǒng)的電池商業(yè)化，還需要一些額外的技術(shù)開(kāi)發(fā)。例如，對(duì)于實(shí)際的電池組裝，我需要將電極結(jié)構(gòu)做成線圈的形狀，這與之前的電池完全不同。我還設(shè)計(jì)了一種新的電極設(shè)計(jì)，用鋁箔作為正集流體，銅箔作為負(fù)集流體。為了進(jìn)一步提高安全性，我開(kāi)發(fā)了一種隔膜，在突然產(chǎn)生熱量的情況下提供關(guān)閉功能。許多其他部分也需要發(fā)展，如電解質(zhì)溶液的優(yōu)化。這種電池最終在1991年由索尼公司和1992年由A&T電池公司商業(yè)化，A&T電池公司是旭化成和東芝的合資企業(yè)。

碳-LiCoO₂鋰離子電池的商業(yè)化為當(dāng)今移動(dòng)通信社會(huì)的實(shí)現(xiàn)做出了重大貢獻(xiàn)。近幾十年來(lái)，隨著電力運(yùn)輸和電網(wǎng)存儲(chǔ)的快速發(fā)展，電池材料正逐漸從早期的發(fā)明轉(zhuǎn)向。然而，第一個(gè)鋰離子電池原型所展示的基本設(shè)計(jì)概念，繼續(xù)在這些市場(chǎng)的發(fā)展中發(fā)揮重要作用，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的社會(huì)。

參考鏈接：

Yoshino, A. From polyacetylene to carbonaceous anodes. Nat Energy 6, 449 (2021). https://doi.org/10.1038/s41560-021-00801-0

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他研究過(guò)膠膜、保溫材料、光催化劑，最終憑這個(gè)拿了諾貝爾獎(jiǎng)！

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