背景介紹

2019年諾貝爾化學獎授予德州大學奧斯汀分校教授John B. Goodenough，紐約州立大學賓漢姆頓分校教授M. Stanley Whittingham，以及日本名城大學教授吉野彰，以表彰他們“在發明鋰電池過程中做出的貢獻”。下面我們通過三位教授發表的關鍵文獻來回顧鋰離子電池的發現之旅！

1976年，Whittingham發現了基于鋰離子嵌入式反應的二次電池

19世紀70年代，Whittingham就職于美國石油巨頭Exxon公司，也就是在那里，他開發了鋰離子電池的雛形：以TiS2為正極，Li-Al合金為負極的基于鋰離子嵌入式反應的二次電池。由于負極鋰金屬存在一系列的安全問題，TiS2電池的商業化并不成功。但是Whittingham提出的這種新的電池工作原理——（嵌入）intercalation，無疑成為了之后新式鋰離子電池成功商業化的基石。這篇文章中介紹的層狀二硫化鈦與鋰的電化學反應生成插層化合物二硫化鈦鋰是構建新型電池體系的基礎。

Li/TiS2電池的電動勢

單相反應方程

當與鋰負極結合時，TiS2具有高能量密度和倍率能力，高電導率。鋰在晶體結構各層之間嵌入的放電-充電具有可逆性。

Electrical Energy Storage and Intercalation Chemistry,?https://science.sciencemag .org/content/192/4244/1126

1980年，Goodenough發現了LiCoO2正極材料

這篇文章中John B. Goodenough教授團隊從母體LiCoO2中電化學萃取鋰制備了一種LixCoO2(0<x<-1)新體系。測得鋰金屬的開路電壓約為LixTiS2的兩倍(0<-x<-1)，理論能量密度為1.11 kW·h·kg-1。時至今日，LiCoO2-石墨電池仍然是鋰電市場上的主流產品。

如上圖所示，這是鈷酸鋰的結構示意圖。通過對已知的鋰離子固體電解質的研究，作者得出結論，鋰離子在緊密堆積的氧陣列中可能是可移動的。

LixCoO2 (0<x<-1): A new cathode material for batteries of high energy density,?https://doi.org/10.1016/0025-5408(80)90012-4

1983年，John B. Goodenough、M.Thackeray等人發現錳尖晶石正極材料

錳尖晶石具有低價、穩定和優良的導電、導鋰性能。其分解溫度高，且氧化性遠低于鈷酸鋰，即使出現短路、過充電，也能夠避免了燃燒、爆炸的危險。本文中，作者發現在室溫下，鋰以化學和電化學的方式插入到Mn3O4和Li[Mn2]O4中。X射線衍射結果表明，A[B2]X4尖晶石的[Mn2]O4亞陣列未受擾動，補償Li+離子電荷的電子將Mn3O4中的Mn3+還原為Mn2+，Li[Mn2]O4中的Mn4+還原為Mn3+。

Lithium insertion into manganese spinels,?https://doi.org/10.1016/0025-5408(83)90138-1

1983年，吉野彰教授發明了第一塊可充電鋰離子電池

吉野彰教授1948年出生于日本大阪水田，1972年在京都大學石油化學系獲得工程學碩士學位。1972年，他加入日本神奈川市旭化成株式會社的研究部門，從事功能聚合物和電子材料的研究。1981年，他開始研究二次電池。1985年，他發明了一種新的電池系統C/LiCoO2，后來被命名為鋰離子電池。他還開發了使用金屬箔集流器以及聚乙烯分離器、碳酸鹽電解質。他現在是旭化成研究員，同時也是京都大學的兼職教授。

第一個測試的管狀電池(1983)

1983年，作者發明了一種以LiCoO2為正極，聚乙炔為負極的新型二次電池。電極材料應為含鋰離子的過渡金屬氧化物，以便在充電時為負極提供鋰離子。作者在密封的玻璃試管中驗證了這種新的二次電池的可行性。這種試管電池與現在的鋰離子電池具有相同的電池反應和工作原理。

1986年首次鋰離子電池安全測試

1986年，作者對鋰離子電池進行了世界上第一次安全測試。他知道如果測試結果不好，開發將不得不終止。由于有著火甚至爆炸的危險，作者不得不借用了一家專門為測試炸藥而設計的設施。在這些試驗中，一塊鐵塊落在電池上。圖c中的照片顯示了金屬鋰電池的測試結果：發生了猛烈燃燒。圖b顯示了鋰離子電池的測試結果：沒有發生點火。這是一個很大的安慰，因為如果在這次試驗中點火，鋰離子電池就不會商業化。這是鋰離子電池商業化的關鍵轉折點。作者認為這些測試的成功是“鋰離子電池誕生的時刻”。

The Birth of the Lithium-Ion Battery,?https://onlinelibrary.wiley.com/ doi/abs/10.1002/anie.201105006

總結

我們這一代人一直生活在“可充電的世界”，但真正帶來電子設備便攜化，開啟了現代移動生活的則是鋰電池。可以說，如果沒有鋰電池，就沒有我們現在的移動智能生活。當然鋰離子電池的研發并沒有結束。還有很多問題等待著我們進一步去探索，去發現，去完成。