獵雲網註：諾貝爾化學獎揭曉後，清華汽車系博士、知乎答主「張抗抗」第一時間在知乎撰文解讀三位科學家的貢獻、成就。稱鋰電池的發明並不是人類科技樹的必然結果，而是一項奇蹟。文章來源：IT業界。
2019年10月9日，諾貝爾化學獎揭曉，獲獎者為鋰電池領域的三位學者：約翰-班寧斯特-古迪納夫、惠廷漢姆和日本學者吉野彰。理由是因發展鋰電池領域所做的貢獻。
在頒獎結束之後，清華汽車系博士、知乎答主「張抗抗」第一時間在知乎撰文解讀三位科學家的貢獻、成就。以下為張抗抗撰文全文：
鋰電池的發明並不是人類科技樹的必然結果，而是一項奇蹟。
如果沒有M. Stanley Whittingham與John B. Goodenough英雄史詩一般的貢獻，也許我們現在還生活在一個沒有鋰電池的世界裡。
Goodenough老爺子已經年近百歲，依然奮戰在科研一線，再不給他發個諾貝爾獎可能就來不及了！
他拿這個獎可以說是眾望所歸！為什麼這麼說呢？來聽聽他們的故事吧！
鋰電池誕生前的電動汽車
電動汽車的發明其實比內燃機汽車更早，直到1912年還在市場份額上佔有優勢。
後來由於電池技術進步緩慢而被歷史淘汰，墳頭草都有三尺高了！ 正常來說，一項技術路線被淘汰後，永遠出頭之日，例如液晶電視vs等離子電視。
電動汽車之所以能夠在百年之後重返歷史舞臺，正是因為鋰離子電池發展史上英雄人物輩出，奇思妙想的劃時代技術突破，力挽狂瀾地給電動汽車續上了命。
能量密度，繞不開的「鋰」
1859年，法國人普蘭特於發明經典的鉛酸蓄電池，這是一款非常成功的發明，直到今天還被普遍使用。
鉛酸蓄電池結構
但是，如果把它用到車上，就會暴露出巨大的問題：能量密度太低！
有多低呢？ 給出下面這張圖來直觀理解：左下角的Lead-Acid就是鉛酸蓄電池，與現在常用的NCM622鋰離子電池相比，重量能量密度與體積能量密度都低4倍左右。
鉛酸電池的能量密度在左下角
汽車的應用場景比較特殊：
一是對體積比較敏感，誰也不想犧牲座艙與後備箱空間來裝電池；
二是對重量比較敏感，若電池能量密度太低，可能就要面臨1噸的車+2噸的電池才能跑500公裡的窘境，這不僅不經濟，從環保的角度來說也是不可接受的！
與鉛酸蓄電池相似，鎳隔電池、鎳氫電池的能量密度也沒改善多少。若沒有新的高能量密度電池，電動汽車將永無出頭之日。
能量密度為啥低呢？我們知道，電池充放電可以理解為氧化還原反應。
初中化學告訴我們：化學性質主要由最外層的電子決定，內層電子都是光吃飯不幹活；電子很輕倒也沒啥，但為了電荷平衡，不幹活的內層電子也需要配上很重的質子。
打開元素周期表，容易找到鉛(Pb)在第5排，有4層不幹活的電子；鎳(Ni)在第4排，有3層不幹活的電子。這就從原子的角度決定了：鉛酸電池、鎳隔電池、鎳氫電池的能量密度潛力都是有限的。
為了減少懶漢數量，提高整體效率，我們還是從元素周期表的前2行來找找潛力股：氫氦鋰鈹硼、碳氮氧氟氖。
有分析指出：氧與氟都是氧化劑，排除；氦、氖、氮都是惰性或準惰性氣體，排除；碳和氫其實就是石油，已經用過了，也做不成充電電池，排除。
那麼就只剩下鋰、鈹、硼，它們的電子轉移數/原子量分別為14%、22%、28%。再考慮到兩個因素：
鋰電極電勢是全元素周期表最低：做成電池後電壓最高；若轉移同等數量電子(電流相同)，對應的功率也最高。
鋰元素的儲量比較高：地殼中鋰元素的豐度比鈹和硼要高一個數量級。
可能還有其它因素，但我不清楚。不管怎麼說，大家達成了一個共識：在造物主的這個時空次元中，能量密度最高的充電電池，大概率是基於鋰元素做出來的。
惠廷漢姆： 「告別化學反應」的鋰離子電池
充電/放電伴隨著化學反應，例如鉛酸蓄電池在充電時：
在上面這個化學反應中，硫酸鉛變成了鉛單質與氧化鉛，意味著化學鍵的斷裂與重組、物質結構的巨大變化。
關於物質結構，大家熟悉的另外一個例子就是不同結構的碳：金剛石、石墨、C60、碳納米管。
早期的鋰電池在工作時，也是伴隨著化學鍵的斷裂與重組，這也就是所謂的「鋰轉化」(Conversion)。
負極通常為鋰金屬，發生的反應為：
這不就是導致電動汽車自燃的元兇「鋰枝晶」化學反應嗎？
在當前的鋰離子電池中，鋰枝晶現象僅在超快充、過充等極少數異常情形下才發生，就已經有如此大的危害。
早期鋰電池竟然以「鋰枝晶」為基本反應，把砒霜當成便飯來吃，豈不是非常危險？
事實的確如此，售出數百萬早期鋰電池的加拿大公司Moli Energy，一年之內發生數起安全事故而破產。日本NEC將Moli Energy收購之後研究發現：這種以「鋰枝晶」為基本反應的早期鋰電池，在5000次循環之後幾乎全部出現故障失效與安全事故。
以鋰金屬為負極的鋰電池，安全事故不是偶然是必然，不是個別是全部！這個結論將鋰電池打入冷宮，行業上下一遍悲觀。站在這個時間點，幾乎沒人會相信，幾十年後電動汽車又能重返舞臺。
如果「鋰轉化」(Conversion)的技術路線困難重重，那我們避開不就可以了嗎？ 說的容易，要知道那時候所有的充電電池，包括鉛酸電池、鎳隔電池、鎳氫電池，都是基於「轉化」(Conversion)反應的！
時代在等待一位英雄，於是M. Stanley Whittingham(麥可·斯坦利·惠廷漢姆)出現了！
他指明了除「鋰轉化」(Conversion)之外的另外一個技術路徑：鋰嵌入(Intercalation)。
通俗易懂地講：以特殊的層狀材料作為宿主(hosts)，鋰離子(Li+)作為客人(guests)可以較為隨意地嵌入（Intercalation）或脫出，基本不影響宿主的物質結構。
正負極材料均為好客的宿主，鋰離子可以來去自如
在鋰嵌入(Intercalation)系統中，鋰離子不必再經歷痛苦的轉化(Conversion)。「告別化學反應」之後，鋰離子變得瀟灑飄逸很多。
當然，必須嚴肅地指出：鋰嵌入(Intercalation)中鋰離子看起來僅發生了物理運動，但本質上依然是化學反應。
鋰嵌入(Intercalation)帶來很多好處，大大提高了充放電反應的可逆性；也避免使用鋰金屬作為負極，提高了安全性。
從鋰轉化」(Conversion)到鋰嵌入(Intercalation)，是鋰電池的技術革命。因為這個貢獻，惠廷漢姆被稱為「鋰電之父」(Founding Father of rechargeable lithium ion battery)。
最後要提一下的是，鋰嵌入(Intercalation)在電極電勢上佔優勢，但在能量密度上佔劣勢。
很容易理解，若以鋰金屬作為負極儲存鋰離子，那材料利用率肯定很高。正因為如此，基於鋰轉化」(Conversion)的鋰金屬電池技術路線雖然困難重重，但為了更高能量密度的鋰電池，現在科學家們還是硬著頭皮前僕後繼地投入研究。
Goodenough先生：老驥伏櫪，志在千裡
惠廷漢姆指明了鋰嵌入(Intercalation)的技術方向，但距離做出鋰離子電池還有很長的距離。鋰電池歷史上第二位英雄人物出場了，他的名字很特別： John Bannister Goodenough(約翰·班尼斯特·古迪納夫)。
以前讀論文，見到「Goodmann」(好人先生)就已經讓我足夠吃驚了，而這位巨匠的名字明顯更勝一籌：「Goodenough「(足夠好的先生)。
概括一下，Goodenough先生最讓人敬佩的是：年過半百才投入鋰電池研究，以一己之力發現了大部分關鍵正極材料：層狀結構的鈷酸鋰(LiCoO2 lattice structure)、尖晶石結構的錳酸鋰(LiMn2O4 spinel structure)、橄欖石結構的磷酸鐵鋰(LiFePO4 olivine structure)。
今年已經98歲，Goodenough先生依然奮戰在科研一線，希望為下一代鋰固態電池做出突破。
推動汽車電動化的其他人物/公司
惠廷漢姆和Goodenough的科研貢獻，奠定了鋰電池大發展的理論與技術基礎。
從歷史的角度來看，鋰電池的大發展光靠科研也不行，還必須依賴產業。產業界也湧現了不少英雄人物，限於篇幅，他們的故事在此只能用一句話概括。
推動汽車電動化的關鍵人物：
本田宗一郎：本田汽車創始人。上世紀70年代，在加州空氣資源委員會推行清潔空氣法案被通用汽車阻撓的時候，發明新型燃燒室技術幫助加州證明法案的合理性，使得排放法案得以繼續推行下去。
姊川文彥：東京電力高管。21世紀初，在美日汽車行業均不看好的環境下，聯合三菱汽車與斯馬魯汽車推行電動車計劃，間接促使日產推出聆風電動汽車。
伊隆馬斯克：與日產聆風幾乎同時，用大規模的松下18650電池成功造出市場歡迎的電動汽車。
推動鋰離子電池商用的關鍵公司：索尼
1991年，索尼發布了第一個商用鋰離子電池，後來被廣泛地用在相機、手機中。
鋰離子電池助力了消費電子行業，改變了整個世界；反過來，消費電子行業的巨大市場，也大大助力了鋰離子電池技術與產業的迅速發展。
如果沒有消費電子行業的助推，在21世紀初的時候，也許根本找不到可以達到電動汽車應用標準的鋰離子電池 —— 消費電子行業助力鋰離子電池從1進步到10，電動汽車行業才有機會在此基礎上繼續推進。
對電動汽車的發展來說，索尼也功不可沒。可悲的是，現在鋰電行業已沒有索尼的身影：索尼總是超前地做出驚豔的產品與技術，但無法堅持到吃到勝利果實的一天。
小結
在汽車的AI(自動駕駛)、Connectivity（智能互聯）與e-tron(電力驅動)三個趨勢中，電力驅動技術給人心理上的衝擊，也許沒有自動駕駛那麼大，猛一看顯得不算是「劃時代「的突破。
今天，我們已經習慣了鋰離子電池技術帶來的便利，覺得這項技術稀鬆平常，沒什麼特別；但是，穿越到20世紀70年代，如果你說鋰離子電池將大規模應用於消費電子與汽車行業，大家也許會覺得你是個瘋子！
類比地，今天我們覺得自動駕駛技術驚駭世俗，但在30年後的人們眼中，可能也覺得這只是稀鬆平常的技術，沒什麼特別。所以，我們不能憑藉主觀上的衝擊力來判斷哪項技術「劃時代「，哪項技術很一般，而應該站在歷史的長周期角度來判斷。
如果站在歷史的長周期角度來看，鋰電池發展史，是人類不斷追求可充電電池理論極限的科技史。電力驅動的鋰離子電池關鍵技術的崛起，依賴於科研界與產業界的共同創新，過程中英雄故事數不勝數，才在極端不利的情形下找到一個突破口，幫助電動汽車百年之後重返歷史舞臺。
這簡直就是一個奇蹟，稱之為「劃時代「並不誇張。