2019 年诺贝尔化学奖授予锂电池，这项技术如何改变了我们的生活？
电动汽车/3D打印
锂电池的发现并不是人类科技树的必然成果，而是一项古迹。
若是没有 M. Stanley Whittingham)与 John B. Goodenough 英雄史诗一般的进献，也许我们此刻还糊口在一个没有锂电池的宿世界里。
Goodenough 老爷子已经年近百岁，依然奋战在科研一线，再不给他发个诺贝尔奖可能就来不及了！
他拿这个奖可以说是众望所归！
为什么这么说呢？来听听他们的故事吧！
锂电池降生前的电动汽车
电动汽车的发现其实比内燃机汽车更早，直到 1912 年还在市场份额上据有优势[1]。
后出处于电池手艺前进迟缓而被汗青裁减，坟头草都有三尺高了！ 正常来说，一项手艺路线被裁减后，永远出头之日，例如液晶电视 vs 等离子电视。
电动汽车之所以可以或许在百年之后重返汗青舞台，恰是因为锂离子电池成长史上英雄人物辈出，奇思妙想的划时代手艺冲破，力挽狂澜地给电动汽车续上了命。
能量密度，绕不开的“锂”
1859 年，法国人普兰特于发现经典的铅酸蓄电池，这是一条目很是当作功的发现，直到今天还被遍及利用。
可是，若是把它用到车上，就会表露出庞大的问题：能量密度太低！
有多低呢？ 给出下面这张图来直不雅理解：左下角的 Lead-Acid 就是铅酸蓄电池，与此刻常用的 NCM622 锂离子电池比拟，重量能量密度与体积能量密度都低 4 倍摆布。
汽车的应用场景比力特别：
- 一是对体积比力敏感，谁也不想牺牲座舱与后备箱空间来装电池；
- 二是对重量比力敏感，若电池能量密度太低，可能就要面对 1 吨的车 +2 吨的电池才能跑 500 公里的逆境，这不仅不经济，从环保的角度来说也是不成接管的！
与铅酸蓄电池相似，镍隔电池、镍氢电池的能量密度也没改善几多。若没有新的高能量密度电池，电动汽车将永无出头之日。
能量密度为啥低呢？
我们知道，电池充放电可以理解为氧化还原反映。
初中化学告诉我们：化学性质本家儿要由最外层的电子决议，内层电子都是光吃饭不干活；电子很轻倒也没啥，但为了电荷均衡，不干活的内层电子也需要配上很重的质子。
打开元素周期表[2]，轻易找到铅(Pb)在第 5 排，有 4 层不干活的电子；镍(Ni)在第 4 排，有 3 层不干活的电子。这就从原子的角度决议了：铅酸电池、镍隔电池、镍氢电池的能量密度潜力都是有限的！
为了削减懒汉数目，提高整体效率，我们仍是从元素周期表的前 2 行来找找潜力股：氢氦锂铍硼、碳氮氧氟氖。
知乎万赞神文[3]阐发指出：氧与氟都是氧化剂，解除；氦、氖、氮都是惰性或准惰性气体，解除；碳和氢其实就是石油，已经用过了，也做不当作充电电池，解除。
零丁放出知乎万赞神文的链接，写得很是好，保举大师阅读
那么就只剩下锂、铍、硼，它们的电子转移数 / 原子量别离为 14%、22%、28%[3]。再考虑到 2 个身分：
- 锂电极电势是全元素周期表最低[4]：做当作电池后电压最高；若转移划一数目电子(电流不异)，对应的功率也最高。
- 锂元素的储量比力高：如上面那张图，地壳中锂元素的品貌比铍和硼要高一个数目级。
可能还有其它身分，但我不清晰。不管怎么说，大师告竣了一个共识：在造物本家儿的这个时空次元中，能量密度最高的充电电池，大要率是基于锂元素做出来的！
惠廷汉姆： “辞别化学反映”的锂离子电池
充电 / 放电陪伴着化学反映，例如铅酸蓄电池在充电时：
在上面这个化学反映中，硫酸铅酿成了铅单质与氧化铅，意味着化学键的断裂与重组、物质布局的庞大转变。
关于物质布局，大师熟悉的别的一个例子就是分歧布局的碳：金刚石、石墨、C60、碳纳米管。
课间提问：石墨酿成金刚石，是物理反映仍是化学反映？
早期的锂电池在工作时，也是陪伴着化学键的断裂与重组，这也就是所谓的“锂转化”(Conversion)。
负极凡是为锂金属，发生的反映为：
等等，这个化学式怎么那么熟悉？ 这不就是导致电动汽车自燃的元凶“锂枝晶”化学反映吗[5]？
在当前的锂离子电池中，锂枝晶现象仅在超快充、过充等少少数异常景象下才发生，就已经有如斯大的风险。
早期锂电池竟然以“锂枝晶”为根基反映，把砒霜当当作便饭来吃，岂不长短常危险？
事实简直如斯，售出数百万早期锂电池的加拿大公司 Moli Energy，一年之内发生数起平安变乱而破产。日本 NEC 将 Moli Energy 收购之后研究发现：这种以“锂枝晶”为根基反映的早期锂电池，在 5000 次轮回之后几乎全数呈现故障掉效与平安变乱[6]！
以锂金属为负极的锂电池，平安变乱不是偶尔是必然，不是个体是全数！这个结论将锂电池打入冷宫，行业上下一遍灰心。站在这个时候点，几乎没人会相信，几十年后电动汽车又能重返舞台！
若是“锂转化”(Conversion)的手艺路线坚苦重重，那我们避开不就可以了吗？ 说的轻易，要知道那时辰所有的充电电池，包罗铅酸电池、镍隔电池、镍氢电池，都是基于“转化”(Conversion)反映的！
时代在期待一位英雄，于是 M. Stanley Whittingham(迈克尔·斯坦利·惠廷汉姆)呈现了！
他指了然除“锂转化”(Conversion)之外的别的一个手艺路径：锂嵌入(Intercalation)。
通俗易懂地讲：以特别的层状材料作为宿本家儿(hosts)，锂离子(Li+)作为客人(guests)可以较为随意地嵌入（Intercalation）或脱出，根基不影响宿本家儿的物质布局。
在锂嵌入(Intercalation)系统中，锂离子不必再履历疾苦的转化(Conversion)。“辞别化学反映”之后，锂离子变得潇洒超脱良多，有诗为证：
轻轻地我走了， 正如我轻轻地来， 挥一挥手， 不带走一片云彩。
当然，必需严厉地指出：锂嵌入(Intercalation)中锂离子看起来仅发生了物理活动，但素质上依然是化学反映。
锂嵌入(Intercalation)带来良多益处，大大提高了充放电反映的可逆性；也避免利用锂金属作为负极，提高了平安性。
从锂转化”(Conversion)到锂嵌入(Intercalation)，是锂电池的手艺革命。因为这个进献，惠廷汉姆被称为“锂电之父”(Founding Father of rechargeable lithium ion battery)[7]。
最后要提一下的是，锂嵌入(Intercalation)在电极电势上占优势，但在能量密度上占劣势。
很轻易理解，若以锂金属作为负极储存锂离子，那材料操纵率必定很高。正因为如斯，基于锂转化”(Conversion)的锂金属电池手艺路线固然坚苦重重，但为了更高能量密度的锂电池，此刻科学家们仍是硬着头皮前赴后继地投入研究。
Goodenough 师长教师：老骥伏枥，志在千里
惠廷汉姆指了然锂嵌入(Intercalation)的手艺偏向，但距离做出锂离子电池还有很长的距离。锂电池汗青上第二位英雄人物进场了，他的名字很出格： John Bannister Goodenough(约翰·班尼斯特·古迪纳夫)。
以前读论文，见到“Goodmann”(大好人师长教师)就已经让我足够受惊了，而这位巨匠的名字较着更胜一筹：“Goodenough“(足够好的师长教师)。
没有最好，无须更好，咱们只要“足够好“
这位老师长教师的故事更出色，这篇文章写得很好了，保举阅读[8]。直接放出链接吧：
锂电专利的战争
归纳综合一下，Goodenough 师长教师最让人佩服的是：
- 年过半百才投入锂电池研究，以一己之力发现了大部门关头正极材料：层状布局的钴酸锂(LiCoO2 lattice structure)、尖晶石布局的锰酸锂(LiMn2O4 spinel structure)、橄榄石布局的磷酸铁锂(LiFePO4 olivine structure)。
- 本年已经 98 岁，Goodenough 师长教师依然奋战在科研一线，但愿为下一代锂固态电池做出冲破[9]。下图是了 95 岁生日照片，看起来精力还不错[10]！
我真的是发自心里地服气，衷心祝愿：大好人平生安然！
鞭策汽车电动化的其他人物 / 公司
惠廷汉姆和 Goodenough 的科研进献，奠基了锂电池大成长的理论与手艺根本。
从汗青的角度来看，锂电池的大成长光靠科研也不可，还必需依靠财产。财产界也涌现了不少英雄人物，限于篇幅，他们的故事在此只能用一句话归纳综合。
鞭策汽车电动化的关头人物：
- 本田宗一郎：本田汽车创始人。上宿世纪 70 年月，在加州空气资本委员会奉行洁净空气法案被通用汽车阻挠的时辰，发现新型燃烧室手艺帮忙加州证实法案的合理性，使得排放法案得以继续奉行下去。他的故事在这篇文章里有简述：
环保是如何改变你的糊口体例的
- 姊川文彦：东京电力高管。21 宿世纪初，在美日汽车行业均不看好的情况下，结合三菱汽车与斯马鲁汽车奉行电动车打算，间接促使日产推出聆风电动汽车。
- 伊隆马斯克：与日产聆风几乎同时，用大规模的松下 18650 电池当作功造出市场接待的电动汽车。
鞭策锂离子电池商用的关头公司：索尼
1991 年，索尼发布了第一个商用锂离子电池，后来被普遍地用在相机、手机中。
锂离子电池助力了消费电子行业，改变了整个宿世界；反过来，消费电子行业的庞大市场，也大大助力了锂离子电池手艺与财产的敏捷成长。
若是没有消费电子行业的助推，在 21 宿世纪初的时辰，也许底子找不到可以达到电动汽车应用尺度的锂离子电池 —— 消费电子行业助力锂离子电池从 1 前进到 10，电动汽车行业才有机遇在此根本上继续推进。
对电动汽车的成长来说，索尼也功不成没。可悲的是，此刻锂电行业已没有索尼的身影：索尼老是超前地做出惊艳的产物与手艺，但无法对峙到吃到胜利果实的一天。
也许这就是“索尼大法好“？
关于“索尼大法好“的更多故事，拜见此回覆：
小结
在汽车的 AI(主动驾驶)、Connectivity（智能互联）与 e-tron(电力驱动)三个趋向中，电力驱动手艺给人心理上的冲击，也许没有主动驾驶那么大，猛一看显得不算是“划时代“的冲破。
今天，我们已经习惯了锂离子电池手艺带来的便当，感觉这项手艺稀松泛泛，没什么出格；可是，穿越到 20 宿世纪 70 年月，若是你说锂离子电池将大规模应用于消费电子与汽车行业，大师也许会感觉你是个疯子！
类比地，今天我们感觉主动驾驶手艺惶恐宿世俗，但在 30 年后的人们眼中，可能也感觉这只是稀松泛泛的手艺，没什么出格。所以，我们不克不及凭债主不雅上的冲击力来判定哪项手艺“划时代“，哪项手艺很一般，而应该站在汗青的长周期角度来判定。
若是站在汗青的长周期角度来看，锂电池成长史，是人类不竭追求可充电电池理论极限的科技史。电力驱动的锂离子电池关头手艺的崛起，依靠于科研界与财产界的配合立异，过程中英雄故事数不堪数，才在极端晦气的景象下找到一个冲破口，帮忙电动汽车百年之后重返汗青舞台。
这的确就是一个古迹，称之为“划时代“并不夸张。
本文节选自本人的知乎文章：有哪些划时代的存在冲破了你现有的认知
- 发表于 2019-10-10 17:48
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