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

三位科學家將平分諾獎獎金。我們大多數人都知道前面兩個人對鋰離子電池的貢獻，因為他們發(fā)表了很多論文，對吉野彰知之甚少。但是，如果沒有將紙上的知識進行應用，做成產品，鋰離子電池也無法做出那么大的貢獻，諾貝爾獎更是無從談起。

Nature Energy將三位獲獎者的回顧做成了一個系列，今天我們來看看第三集，日本化學家吉野彰回顧自己是如何把鋰離子電池造出來的，他的貢獻是什么。

從聚乙炔到碳陽極。碳質陽極是第一批商業(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研究課題導致了這一突破。

我于1972年加入旭化成公司，開始從事基礎探索性研究工作。這類研究從選擇研究對象開始，研究人員可以決定是否繼續(xù)或在以后的時間切換到另一個研究對象。我研究過夾膠玻璃膠膜、建筑無機保溫材料、可見光下的光催化劑，用于殺菌、防污、除臭等應用。

1981年，當我在尋找我的第四個研究課題時，我參觀了我的母校京都大學，在那里我看到了一種叫做聚乙炔的新材料的樣品。白川英樹發(fā)現(xiàn)了這種物質，并于2001年獲得了諾貝爾化學獎。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，它還具有導電性能。我意識到這是一種有趣的材料，于是決定在自己的實驗室里制作樣品。

起初我對聚乙炔的研究與電池完全無關，但很快我意識到聚乙炔不僅能導電，而且具有電化學性質。這意味著聚乙炔具有作為電池材料的潛力。

在20世紀80年代，大量的研究都集中在使用非水電解質制造小型、輕型電池上。這在很大程度上是由Whittingham在由金屬鋰陽極和TiS₂陰極組成的電池中演示的電化學插層的新概念所驅動的。盡管進行了大量研究，但事實證明，新型可充電電池很難商業(yè)化。這是因為陽極含有麻煩的金屬鋰，會導致容量迅速下降和電池安全問題。我對聚乙炔作為陽極材料的特性進行了評估，發(fā)現(xiàn)電解液經過優(yōu)化后容量大，反復充放電后降解率很小。

雖然在陽極的循環(huán)性能是有希望的，我必須找到一個最佳的陰極材料與它配對。事實證明這是一個巨大的挑戰(zhàn)。當時很多正極材料，如TiS₂，都不合適，因為它們不含鋰離子。因為充電和放電都需要鋰離子，所以如果正極和負極都不含鋰離子，我就不能做電池。

后來我看到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，與我的聚乙炔陽極配對，創(chuàng)造了一個新的電池系統(tǒng)。

在評估這種新電池的原型時，我遇到了另一個問題。我的目標是實現(xiàn)小尺寸和輕重量，但雖然我的電池很輕，他們不能做小。這是因為聚乙炔的比重為1.2，非常低。我計算我需要一個負極材料的比重至少為2.0，以實現(xiàn)小尺寸和輕重量。

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

就在我要放棄的時候，我了解到旭化成的另一個實驗室正在研究一種叫做氣相生長碳纖維(VGCF)的新材料。我評估了一個樣品，發(fā)現(xiàn)它在我的電池系統(tǒng)中作為負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構。這種晶體結構被證明是陽極的理想結構。1985年，我完成了現(xiàn)在鋰離子電池的基本結構。

后來發(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開發(fā)。例如，對于實際的電池組裝，我需要將電極結構做成線圈的形狀，這與之前的電池完全不同。我還設計了一種新的電極設計，用鋁箔作為正集流體，銅箔作為負集流體。為了進一步提高安全性，我開發(fā)了一種隔膜，在突然產生熱量的情況下提供關閉功能。許多其他部分也需要發(fā)展，如電解質溶液的優(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)化為當今移動通信社會的實現(xiàn)做出了重大貢獻。近幾十年來，隨著電力運輸和電網存儲的快速發(fā)展，電池材料正逐漸從早期的發(fā)明轉向。然而，第一個鋰離子電池原型所展示的基本設計概念，繼續(xù)在這些市場的發(fā)展中發(fā)揮重要作用，以實現(xiàn)可持續(xù)的社會。

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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