锂离子电池的历史

20世纪70年代末，一支由全球科学家组成的团队开始研发后来被称为锂离子电池的可充电电池，这种电池最终为便携式电子产品、电动汽车和手机等各种设备提供动力。

本周，2019年诺贝尔化学奖授予了三位科学家——John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham, and Akira Yoshino,，以表彰他们在开发这种电池方面所做的工作。

据诺贝尔奖官方组织介绍：“这种轻便、可充电且高效的电池如今被广泛应用于从手机到笔记本电脑再到电动汽车等各种设备中。它还能储存大量来自太阳能和风能的能源，为实现无化石燃料社会提供了可能。”

在20世纪70年代石油危机期间，当时在埃克森美孚工作的英国化学家Stanley Whittingham开始探索一种新型电池——这种电池能够在短时间内自行充电，并有朝一日可能实现无化石能源。

他第一次尝试时，使用二硫化钛和金属锂作为电极，但这一组合带来了诸多挑战，包括严重的安全隐患。在发生短路并起火后，埃克森决定终止该实验。

然而，目前任职于德克萨斯大学奥斯汀分校工程系教授的John B. Goodenough提出了另一种思路。在20世纪80年代，他用氧化钴锂代替二硫化钛作为正极进行实验，结果取得成功：该电池的能量密度提升了一倍。

五年后，日本名古屋名城大学的Akira Yoshino进行了另一项更换。他没有使用反应性强的金属锂作为负极，而是尝试使用一种含碳材料——石油焦，这带来了革命性的发现：新电池不仅在没有金属锂的情况下显著提高了安全性，而且电池性能更加稳定，从而制造出了第一个锂离子电池原型。

这三项发现共同促成了我们今天所知的锂离子电池。

利用电子显微镜和光谱学打造更好的电池

尽管锂离子电池市场仍以两位数增长，但挑战在于开发出更安全、寿命更长、能量密度更高的电池。为推动相关研究，许多科学家正借助各种分析技术，在不同生命周期阶段研究电池组件。

通过使用如微型CT和电子显微镜等成像技术，科学家可以生成二维和三维图像，使他们能够从整个长度尺度观察电池，从单体层面到原子层面。从这些图像中提取出的微观结构信息，有助于他们对电池材料进行基础性理解。

为了研究材料结构与成分变化及缺陷形成过程，科学家们会采用拉曼光谱、核磁共振（NMR）、X射线衍射和质谱等光谱学方法。利用这些技术，研究人员可以分析充放电过程中的电极材料，并获得其他方式无法获取的信息。

全球各地的高校和企业仍在不断探索如何制造出更加安全、更强大、更耐用，并且即使在恶劣天气条件下也能运行的电池。

例如，加州大学圣地亚哥分校的研究人员正在尝试通过在阳极中加入硅来提高锂离子电池的能量密度。他们还在开发一种能够在低至-76°F（约-60°C）环境下运行的电池，而目前锂离子电池的最低工作温度为-4°F（约-20°C）。

锂离子电池彻底改变了现代生活。正如Whittingham在最近的一次会议上所说：“锂电池已经影响了世界上几乎每个人的生活。”他仍然致力于电池研究，我们也很期待看到诺贝尔奖获奖如何推动行业向前发展。

祝贺三位获奖者！

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刘钊是赛默飞世尔科技公司电子显微镜业务发展经理。