[电池完全征服]②把人类从石油中拯救出来的三位科学家

View original image

当下引领电动车时代的主角，无疑是创立特斯拉的 Elon Musk。不过从历史上看，电动车的历史早已远超 100 年。如果没有过去那些先驱者，如今的 Musk 和特斯拉都不会存在。

科学家们很早就意识到电池的潜力，投身于电动车开发。尤其是 1859 年法国人 Gaston Planté 发明铅蓄电池之后，人们不断尝试以电池作为动力源。其中，很多观点认为，德国发明家 Andreas Flocken 在 1888 年制造的“Electrowagen”是世界上第一辆电动汽车。

弗洛肯于1888年制造的电动汽车（2011年复制品）。来源 维基百科

View original image

Karl Benz 在 1885 年首次发明使用汽油的内燃机车，两者相差不过 3 年。直到 20 世纪初，电动车还一度占据上风，因为它起动容易，没有废气、噪音和振动。1912 年在美国登记在册的电动车多达 3.3842 万辆。

然而，Henry Ford 在 1908 年利用流水线系统大批量生产廉价汽油车后，电动车便几乎完全销声匿迹。尽管早期曾经热卖，但电动车一次充电只能行驶 50～60 英里（80～96 公里），必须频繁充电，这一缺点始终未能克服。

就是这家将电动车赶出市场的福特汽车公司，却在 1966 年突然宣布了电动车上市计划。原本把电动车挤出市场的车企，竟又要推出电动车，自然引发舆论高度关注。福特还设计出一种以钠和硫为电极的新型电池。这种新型钠硫（NaS）电池储能量是传统铅蓄电池的 15 倍。

福特强调，使用该电池的电动车一次充电即可行驶 200 公里。但它存在致命缺陷：这种电池需要在摄氏 300 度下才能工作，必然引发对高温爆炸风险的质疑。

View original image

福特之所以在 1960 年代提出电动车上市计划，是因为当时公害问题已成为严重的社会议题。得益于石油、煤炭等化石燃料，工业化迅速推进，但废气造成的环境污染副作用也随之而来。推动汽油车普及的福特也不得不采取行动。然而，要开发出既稳定又高性能的电动车电池，是他们面临的最大障碍。

福特的钠硫电池最终未能实现商业化，但福特的构想却给许多科学家带来了灵感。其中一人便是因开发锂离子电池作出贡献，而在 2019 年获得诺贝尔化学奖的 John Goodenough 教授。

Goodenough 教授在接受撰写《The Power House》的 Quartz 记者 Steve Levine 采访时曾回忆称：“一切突然都变了，电池不再无聊。”他表示，自己转向电池研究的背景之一，就是福特汽车的研究成果。1973 年令世界经济陷入混乱的石油危机，以及后来与他共同获得诺贝尔化学奖的 Stanley Whittingham 博士关于嵌入化合物（插层化合物）的研究成果，也对他产生了巨大影响。

2019年诺贝尔化学奖得主 【图片出处=诺贝尔委员会供图】

View original image

Goodenough 教授于 1922 年出生在德国耶拿，是一位德裔美国人。今年 6 月以 100 岁高龄辞世。他获颁诺贝尔化学奖时已 97 岁。

Goodenough 教授在耶鲁大学主修数学，之后在芝加哥大学攻读物理学硕士和博士课程。第二次世界大战期间，他曾作为气象学家在美军服役。此后，他先后在麻省理工学院（MIT）和牛津大学任职，自 1986 年起转至得克萨斯大学，直至去世，一生致力于前沿科学研究。在 MIT 林肯实验室工作时，他还为计算机所用的随机存取存储器（RAM）的开发作出过贡献。据说他幼年患有阅读障碍，这反而促使他对数学和物理产生了兴趣。

1970 年石油危机爆发后，他开始关注替代能源。他认为，有必要研究能够取代石油这种既造成环境污染、又随时可能枯竭的新型能源。但当时在美国空军资助下运作的 MIT 林肯实验室并不允许他开展这方面研究。恰在此时，英国牛津大学向他抛出无机化学教授职位的橄榄枝。他认为这是实现夙愿的机会，便立即赴英。

View original image

Goodenough 教授关注到了比自己更年轻的科学家 Whittingham 博士的研究成果。身为埃克森美孚研究员的 Whittingham 博士，利用插层原理开发出锂离子电池，却在商业化方面屡屡受挫。

Whittingham 博士的锂离子电池与我们现在使用的产品有所不同。他提出的电池，正极采用二硫化钛，负极则采用金属锂。而我们如今每天接触的锂离子电池，正极使用锂化合物，负极则采用石墨等碳化合物。

View original image

当把金属锂用作负极时，充电过程中迁移到负极的锂离子在与电子结合时，无法稳定沉积，而会像树枝一样尖锐生长，这种现象被称为枝晶（Dendrite）。如果这些尖锐的金属锂长到能够刺穿隔膜，正负极就会直接接触，发生短路（short，短路），从而引发爆炸。据传，当时 Whittingham 博士的实验室曾多次发生爆炸，以至于消防员频频出动，成为一段轶事。

为了解决这一问题，Whittingham 教授不断尝试在金属锂中加入铝、更换电解质等各种实验。1976 年，他还为瑞士制表商发布了一款可在太阳能手表中运行的小型锂离子电池。

View original image

但进入 1980 年代后，国际油价趋于稳定，埃克森美孚对相关研究的兴趣逐渐减弱，对 Whittingham 教授的支持也随之中断。

接过 Whittingham 教授接力棒的人，正是 Goodenough 教授。Goodenough 教授发现，如果在正极采用钴酸锂，就能获得更高的电压。他的电池电压约为 4 伏，是 Whittingham 教授电池电压的约 2 倍。1980 年，他在学界报告称，自己发现了这种既轻便又能释放强大能量的新型正极材料，可以用来制造高性能电池。

然而，随着 1980 年代油价下跌，西方世界对替代能源的关注急剧降温，Goodenough 教授的这一发现当时也未能得到足够重视。

就在西方对替代能源兴趣减退的同时，在地球另一端的一家日本企业实验室里，一位年轻科学家正全力寻找能够改变时代潮流的新材料。

1948 年出生于日本吹田市的 Yoshino Akira 博士，在京都大学主修石油化学（硕士），1972 年进入旭化成公司。他随即被分配到位于神奈川县川崎市的一家研究所。他的任务是寻找用于开发新产品的“seed（种子）”技术。

但他的努力屡屡以失败告终。要发现既符合市场需求、又前所未有的新材料，绝非易事。正当他感到沮丧之际，在进入旭化成第 10 个年头的 1981 年，他开始对锂离子电池产生兴趣，当时他 33 岁。

Yoshino 博士最初以开发一种在负极应用导电高分子（能导电的塑料）聚乙炔的二次电池为目标。聚乙炔在电化学上允许离子和电子进出。利用这一特性，他认为可以将其用作二次电池的负极材料。但他始终没能找到与之匹配的合适正极材料。

1982 年某天，他在实验室翻阅文献时，偶然发现了 Goodenough 教授的论文。于是，他构想出一种新型二次电池：将 Goodenough 教授发现的钴酸锂用作正极材料，聚乙炔用作负极材料。第二年，他立即就此申请了专利，并持续开展后续研究。

View original image

但在转化为实际产品的过程中，他又遇到了新的瓶颈：当把聚乙炔用作负极时，体积变得过于庞大。在寻找替代材料的过程中，他发现了一种名为 VGCF（Vapor Phase Grown Carbon Fiber，气相生长碳纤维）的特殊碳纤维。

问题在于 VGCF 的产量极低。若要打造具有大众性的二次电池，就必须找到价格低廉、易于获取的新型负极材料。于是他锁定了石油焦（Cokes）。由此，一种在正极使用钴酸锂、在负极使用石油焦的锂离子电池于 1985 年诞生，这便成为我们如今所用锂离子电池的基本结构。

Yoshino 博士的锂离子电池中，只有“锂离子”，并不存在纯金属锂。此外，作为负极材料的焦炭能够稳定地嵌入和脱出锂离子，与此前使用金属锂的电池相比，安全性大幅提升。1990 年代，日本企业开始在电子产品中应用锂离子电池，二次电池时代由此正式拉开序幕。

由此可见，如今广泛使用的锂离子电池原型诞生于日本企业。在电子产业高度繁荣的日本孕育出锂离子电池，某种意义上也可以说是顺理成章。此后，锂离子电池与信息技术（IT）产业一同不断发展壮大。