他研究过胶膜、保温材料、光催化剂，最终凭这个拿了诺贝尔奖！

2019年诺贝尔化学奖授予美国固体物理学家约翰·巴尼斯特·古迪纳夫（John B Goodenough）、英国化学家斯坦利·威廷汉（Stanley Whittingham）和日本化学家吉野彰（Akira Yoshino），以表彰他们发明锂离子电池方面做出的贡献。

三位科学家将平分诺奖奖金。我们大多数人都知道前面两个人对锂离子电池的贡献，因为他们发表了很多论文，对吉野彰知之甚少。但是，如果没有将纸上的知识进行应用，做成产品，锂离子电池也无法做出那么大的贡献，诺贝尔奖更是无从谈起。

Nature Energy将三位获奖者的回顾做成了一个系列，今天我们来看看第三集，日本化学家吉野彰回顾自己是如何把锂离子电池造出来的，他的贡献是什么。

从聚乙炔到碳阳极。碳质阳极是第一批商业化可充电锂离子电池拼图中的最后一块重要材料。它的发明者讲述了如何寻找一个研究课题导致了这一突破。

我于1972年加入旭化成公司，开始从事基础探索性研究工作。这类研究从选择研究对象开始，研究人员可以决定是否继续或在以后的时间切换到另一个研究对象。我研究过夹胶玻璃胶膜、建筑无机保温材料、可见光下的光催化剂，用于杀菌、防污、除臭等应用。

1981年，当我在寻找我的第四个研究课题时，我参观了我的母校京都大学，在那里我看到了一种叫做聚乙炔的新材料的样品。白川英树发现了这种物质，并于2001年获得了诺贝尔化学奖。虽然聚乙炔是一种塑料，但它像金属一样有银色的光泽，而且令人惊讶的是，它还具有导电性能。我意识到这是一种有趣的材料，于是决定在自己的实验室里制作样品。

起初我对聚乙炔的研究与电池完全无关，但很快我意识到聚乙炔不仅能导电，而且具有电化学性质。这意味着聚乙炔具有作为电池材料的潜力。

在20世纪80年代，大量的研究都集中在使用非水电解质制造小型、轻型电池上。这在很大程度上是由Whittingham在由金属锂阳极和TiS₂阴极组成的电池中演示的电化学插层的新概念所驱动的。尽管进行了大量研究，但事实证明，新型可充电电池很难商业化。这是因为阳极含有麻烦的金属锂，会导致容量迅速下降和电池安全问题。我对聚乙炔作为阳极材料的特性进行了评估，发现电解液经过优化后容量大，反复充放电后降解率很小。

虽然在阳极的循环性能是有希望的，我必须找到一个最佳的阴极材料与它配对。事实证明这是一个巨大的挑战。当时很多正极材料，如TiS₂，都不合适，因为它们不含锂离子。因为充电和放电都需要锂离子，所以如果正极和负极都不含锂离子，我就不能做电池。

后来我看到Goodenough的一篇论文，描述LiCoO₂是一种含有锂离子的新型阴极材料。这正是我一直在寻找的东西。我在1983年合成了LiCoO₂作为正极材料，与我的聚乙炔阳极配对，创造了一个新的电池系统。

在评估这种新电池的原型时，我遇到了另一个问题。我的目标是实现小尺寸和轻重量，但虽然我的电池很轻，他们不能做小。这是因为聚乙炔的比重为1.2，非常低。我计算我需要一个负极材料的比重至少为2.0，以实现小尺寸和轻重量。

我不情愿地放弃了聚乙炔。然而，我很快意识到，碳将有足够高的比重和潜力提供类似于聚乙炔作为阳极材料的功能。我评估了世界上我能找到的所有碳材料，但很难找到合适的。

就在我要放弃的时候，我了解到旭化成的另一个实验室正在研究一种叫做气相生长碳纤维(VGCF)的新材料。我评估了一个样品，发现它在我的电池系统中作为负极材料有很好的性能。VGCF是用一种特殊的方法制成的，使其具有特殊的晶体结构。这种晶体结构被证明是阳极的理想结构。1985年，我完成了现在锂离子电池的基本结构。

后来发现，要将基于该系统的电池商业化，还需要一些额外的技术开发。例如，对于实际的电池组装，我需要将电极结构做成线圈的形状，这与之前的电池完全不同。我还设计了一种新的电极设计，用铝箔作为正集流体，铜箔作为负集流体。为了进一步提高安全性，我开发了一种隔膜，在突然产生热量的情况下提供关闭功能。许多其他部分也需要发展，如电解质溶液的优化。这种电池最终在1991年由索尼公司和1992年由A&T电池公司商业化，A&T电池公司是旭化成和东芝的合资企业。

碳-LiCoO₂锂离子电池的商业化为当今移动通信社会的实现做出了重大贡献。近几十年来，随着电力运输和电网存储的快速发展，电池材料正逐渐从早期的发明转向。然而，第一个锂离子电池原型所展示的基本设计概念，继续在这些市场的发展中发挥重要作用，以实现可持续的社会。

参考链接：

Yoshino, A. From polyacetylene to carbonaceous anodes. Nat Energy 6, 449 (2021). https://doi.org/10.1038/s41560-021-00801-0

原创文章，作者：Gloria，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/10/16/9798656489/

他研究过胶膜、保温材料、光催化剂，最终凭这个拿了诺贝尔奖！

相关推荐