2019年諾貝爾化學獎頒給了約翰·B·古迪納夫（John B. Goodenough）、M·斯坦利·威廷漢（M. Stanley Whittingham）、吉野彰（Akira Yoshino），以表彰他們對發明鋰離子電池做出的貢獻。這種可充電電池奠定了無線電子產品（如手機與筆記本電腦）的基礎。它還給了我們進入一個無化石燃料世界的可能性，因為它能用於各種事物，從給電動汽車供電到從可再生能源中儲存能量。
2019年諾貝爾化學獎的三位獲獎者 | 諾貝爾獎官網
化學元素很少在戲劇中扮演中心角色，但2019年諾貝爾化學獎的故事中有一個明確的主角：鋰。鋰是一種古老的元素，在宇宙大爆炸發生的頭幾分鐘產生。1817年，瑞典化學家約翰·奧古斯特·阿爾弗德森（Johan August Arfwedson）與永斯·雅各布·貝採利烏斯（Jöns Jacob Berzelius）從斯德哥爾摩群島上的外島（Utö） 礦山礦物樣品中純化出了鋰，從此，人類發現了鋰的存在。
貝採利烏斯用希臘文中的「石頭」（lithos）來給這個新元素命名。這個名字聽起來很重，但鋰其實是最輕的固體元素，所以我們幾乎感覺不到隨手攜帶的手機的重量。
鋰是一種金屬，外電子層只有一個，這個電子很容易脫離鋰，加入另一個原子。當這種情況發生，就形成了帶有正電荷並且更穩定的鋰離子
準確來說，這幾位瑞典化學家並沒有發現純金屬鋰，而是發現了鹽形式的鋰離子。純鋰引發了多起火災警報，尤其是在我們接下來要講的故事中。鋰是一種不穩定的元素，必須要儲存在油中，以免與空氣發生反應。
鋰的缺點——高反應性——也是它的優點。
20世紀70年代初，斯坦利·威廷漢利用鋰釋放最外層電子的強大驅動力發明了第一個可使用的鋰電池。
1980年，古迪納夫將鋰電池的電勢提高了一倍，為生產出更強大、更有用的電池創造了合適的條件。
1985年，吉野彰成功地從電池中去除了純鋰，讓電池完全使用比純鋰更安全的鋰離子。
這令我們能在實際生活中使用鋰電池。鋰離子電池給人類帶來無盡的益處，它推動了筆記本電腦、手機、電動汽車的發展，也令我們能儲存由太陽能與風能產生的能量。
現在，我們將時間退回至五十年前，回到鋰離子電池故事的開端。
20世紀中期，世界上燃油汽車的數量顯著增加，汽車排放的廢氣使大城市的有害霧霾更加嚴重。再加上人們逐漸認識到石油是一種有限資源，這給汽車製造商和石油公司敲響了警鐘。如果企業要生存，他們需要投資尋找新的替代能源以及電動汽車。
電動汽車和替代能源都需要用到電池來儲存大量的能量。那時市場上只有兩種類型的可充電電池：一種是1859年發明的鉛蓄電池(現在仍然被用作燃油汽車的起動電池)，另一種是20世紀前半葉發明的鎳鎘電池。
由於石油枯竭的威脅，石油巨頭埃克森決定將其業務多樣化。在對一項基礎研究的重大投資中，埃克森招募了當時在能源領域中最重要的一些研究人員。投資人承諾，只要不用到石油，研究人員可以自由地做任何他們想做的研究。
斯坦利·威廷漢於1972年加入埃克森。他來自史丹福大學，在學校時他研究的是「嵌入」現象，即帶電離子可以附著到具有原子大小空隙的固體材料當中。當離子嵌入其中時，材料的性質會發生改變。加入埃克森後，斯坦利·惠廷厄姆和他的同事開始研究超導材料，包括可以嵌入離子的二硫化鉭。他們在二硫化鉭中加入離子，並研究其電導率如何變化。
科學研究中常有這樣的事情，這個實驗有了一個意料之外並且有價值的發現。結果表明，鉀離子會影響二硫化鉭的導電性，當斯坦利·威廷漢開始詳細研究這種材料時，他觀察到它具有非常高的能量密度。鉀離子和二硫化鉭之間的相互作用富含能量，當他測量材料的電壓時，它有幾伏高。這比當時的很多電池更好。斯坦利·威廷漢很快意識到，是時候改變方向，發展新技術，這項技術可以為未來的電動汽車儲存能量。然而，鉭是比較重的元素，市場不需要更多的重電池——因此他用鈦代替了鉭，鈦具有相似的性質，但輕得多。
M·斯坦利·威廷漢 | Jonathan Cohen / binghamton.edu
鋰不應該在這個故事中佔有一席之地嗎？好吧，下面就要輪到它了——作為斯坦利·威廷漢創新電池的負電極，鋰不是一個隨機的選擇。在電池中，電子應該從負極（陽極）流向正極（陰極）。因此，陽極應該包含一種容易釋放電子的材料，而在所有元素中，鋰是最容易釋放電子的物質。
其結果是一種可在室溫下工作的可充電鋰電池，它具有字面意思的巨大「潛力」（譯註：potential也是電勢的意思）。斯坦利·威廷漢前往位於紐約的埃克森總部談論這個項目。會議持續了大約十五分鐘，隨後管理小組做出了迅速的決定：他們將利用威廷漢的發現開發一種商業上可行的電池。
最初的充電電池電極由固體材料構成，當與電解液發生化學反應時會分解，而這會破壞電池。惠廷漢姆的鋰電池優勢在於，鋰離子儲存於陰極二硫化鈦材料的間隙中。電池放電時，鋰離子從陽極的鋰流入陰極的二硫化鈦中；電池充電時，鋰離子則反向移動
不幸的是，正要開始製造電池的團隊遭受了許多挫折。新的鋰電池在重複充電時，鋰電池的電極上長出了一些細小的枝晶。當這些枝晶觸及到另一個電極時，電池短路並會導致爆炸。消防隊只得趕來撲滅一系列火災，並最終要求實驗室賠付用於撲滅鋰著火的特殊化學物質。
當陽極含有純鋰的電池充電時，會形成鋰的枝晶，它們會使電池短路，導致著火甚至爆炸。
為了使電池更安全，團隊在金屬鋰電極裡加入了鋁，並改變了電極間的電解質。斯坦利·威廷漢在1976年宣布了他們的發現，這種電池也開始了小規模生產，供應給一個希望用它製造太陽能表的瑞士鐘錶商。
下一個目標就是將可充電鋰電池放大，從而用於給汽車供電。然而，八十年代初油價大幅下滑，埃克森美孚公司需要削減開支。研發工作被中止了，威廷漢的電池技術被授權給了三家世界不同地方的不同公司。
不過這並不意味著電池的發展停止了。埃克森美孚放棄之時，約翰·古迪納夫接棒了。
兒時古迪納夫在學習閱讀上有嚴重的困難，這也是他投身於數學並在二戰後最終投入物理的原因之一。他在麻省理工學院的林肯實驗室工作了許多年，在那裡，他為隨機存取存儲器（RAM）的發展做出了貢獻。隨機存儲器至今仍是計算機的一個基本部件。
約翰·古迪納夫像其他許多七十年代的人一樣，受石油危機影響並想要致力於發展其他能源。但是林肯實驗室受美國空軍資助，不是所有類型的研究都被允許。所以當他獲得了一個英國牛津大學無機化學教授職位時，他抓住機會進入能源研究這一重要領域。
約翰·B·古迪納夫 | DARREN CARROLL
約翰•B•古迪納夫知道威廷漢的革命性電池，但是關於物質內部的專業知識告訴他，如果使用金屬氧化物而不是金屬硫化物製造電池的陰極，則能產生更大的電勢。然後，他的研究小組中的一些人就被要求去尋找一種金屬氧化物。這種金屬氧化物在被鋰離子嵌入時要產生高電壓，而當離子被去除時對材料也不會有不利的影響。
這種系統性的探索工作獲得的成功超出了古迪納夫的預期。威廷漢的電池可以產生超過2伏的電壓，但古迪納夫發現，如果電池的陰極材料使用鈷酸鋰，電池可產生約4伏的電壓，電力幾乎翻了倍。
而實現這一成就的關鍵因素在於，古迪納夫意識到電池不必再像以前那樣在充好電的狀態下進行加工和製造。相反，它們可以之後再進行充電。在1980年，他發表了這種新型陰極材料的相關發現，它重量輕，能製備出強大的高容量電池。而這是邁向「無線革命」決定性的一步。
古迪納夫開始在鋰電池的陰極使用鈷酸鋰，這幾乎使電池的電勢翻倍，使電池變得強力很多。
西方隨著石油價格的下降，對替代能源的相關科技領域及開發電動汽車的投資興趣也變淡了。日本卻不同，電子公司迫切地希望能獲得輕型、可充電的電池，可以為創新型電子產品供電，例如攝像機、無繩電話和電腦。一個看到這種需求的人就是來自旭化成公司的吉野彰，他說：「我只是嗅出了一點趨勢的發展方向。你可以說，我有良好的嗅覺。」
吉野彰決定開發一種功能性充電電池的時候，他以古迪納夫的鋰鈷氧化物為陰極，嘗試使用各種碳基材料作為陽極。研究者此前表明，鋰離子能被嵌入石墨分子中，但石墨會被電池電解液破壞。吉野彰的尤裡卡時刻最終到來：他用了石油焦（石油工業的副產物）。當他用電子給石油焦充電時，鋰離子被吸引進了材料中。隨後他打開電池，電子和鋰離子流向電勢更高的鈷氧化物陰極。
吉野彰 | epo.org
吉野彰研發的電池穩定、輕量，具有高容量，能產生相當高的4伏電壓。鋰離子電池最大的優勢是離子嵌入在電極當中。其他電池大多基於涉及電極的化學反應，電極會緩慢但必然地在反應中發生變化。而鋰離子電池被充電和使用時，離子在電極間流動但不與周圍環境發生反應。這意味著這種電池有更長的壽命，在性能衰退前能夠充電數百次。
吉野彰開發了第一種有商業價值的鋰離子電池。他在電池的陰極使用古迪納夫的鈷酸鋰，陽極使用一種碳材料——石油焦，後者也可以嵌入鋰離子。這種電池的性能並不基於任何破壞電池結構的化學反應，只有鋰離子在兩個電極之間來回移動，這讓電池擁有了很長的使用壽命。
另一個巨大的進步在於，這種電池裡沒有純鋰。1986年，吉野彰測試了這種電池的安全性。他謹慎行事，使用一種為測試爆炸設備而設計的設施。他把一大塊鐵丟在電池上，什麼也沒有發生。不過，在用含有純鋰的電池進行重複實驗時，這導致了一場劇烈爆炸。
通過安全測試是電池未來發展的基礎。吉野彰說，這是「鋰離子電池誕生之刻。」
1991年，日本一家大型電子公司開始銷售第一塊鋰離子電池，從而引發了電子行業的一場革命。行動電話更為小巧，電腦開始可以便攜，MP3播放器和平板電腦也隨之被研發出來。
隨後，世界各地的研究人員在元素周期表中尋找更好的電池材料，但還沒有人成功發明出能超越鋰離子電池高容量和高電壓的產品。當然，鋰離子電池也在進行改變和進化；其中尤為重要的是，約翰·古迪納夫採用磷酸鋰鐵替代了鈷氧化物，使電池變得更為環保。
與幾乎所有其他產品一樣，鋰離子電池的生產會對環境有影響，但它同時帶來了巨大的環境收益。這種電池讓清潔能源技術和電動汽車得以發展，從而有助於減少溫室氣體和微粒的排放。
通過他們的工作，約翰·古迪納夫、斯坦利·威廷漢與吉野彰為建立一個無化石燃料的無線社會創造了良好的條件，給人類帶來了最大的利益。
翻譯：Amaranth，木易楊楊，黎小球，odette，Amber，darla，antares，迦畞，李小葵
校對：窗敲雨
編譯來源：諾貝爾獎官方
題圖來源：pixabay
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