你离不开的锂电池，了解一下

今年的诺贝尔化学奖，颁给了一个老年天团——97岁的约翰·古迪纳夫、78岁的斯坦利·惠廷厄姆和71岁的吉野彰。没有他们，就没有为手机、平板电脑、电动车等续命的能源神器——锂电池。

小小一块看似平平无奇的电池，凭什么拿走900万克朗的奖金？三位老人家为它的诞生各做了哪些贡献？

我们先从电池的工作原理讲起。

电池怎么工作

大家知道，物质由原子组成。而原子又由带正电的原子核和带负电的电子组成。有些物质的原子核实力弱，身边围绕的电子就少，比如氢，只有一个电子。有些物质的原子核实力爆棚，身边围了一堆电子，一圈塞不下，还得分几圈塞。这些圈叫电子层。最外圈电子层最多能塞8个电子（如果只有一圈电子层，则只能塞2个）。

电子们天生喜欢热闹扎堆。如果最外圈电子层只有一个电子，那么孤独寂寞的它就总想跑路找伴儿去;而最外圈电子层有六七个电子的话，就会希望多拉些伙伴进群，把空位填满。

早在18世纪，电学大咖们就利用电子的这一特性发明了电池。简单来说，就是在电解质中插两块不同的金属片，负极的金属容易丢失电子，正极则是捕获电子的高手;当正负两极连通后，电子们组团从负极跑到正极，就产生了电流。

不过呢，传统的干电池有两大缺点。一是会用到许多有毒的重金属，对环境很不友好;二是重金属嘛，自然很重（对此家有电动车的读者一定深有体会）。所以贪心，哦不，是永不满足的人就开始思考：能不能发明一种轻巧、环保、能量充足、耐力还好的电池？

这下，锂电池迎来了属于它的时代。

研发第一关：选材

闯关者：斯坦利·惠廷厄姆

锂是一种历史悠久的金属，在宇宙大爆炸之初便产生了。但人类直到1817年，才意识到它的存在。

“锂”这个名字源自希腊语中“石头”一词。别看词源很有分量，锂却是最轻的固体金属。锂原子一共只有3个电子，两圈电子层，即最外层只有一个电子，非常容易被“拐跑”，实在太适合做电池了对不对？而且锂没有毒性，对环境相当友好。

锂电池的研发，始于上世纪的石油危机。其实汽车刚出现时，电动车也曾领一时风骚，但最终被汽油车淘汰。直到1970年代，石油供给短缺，电动汽车才重回人们视野，为电动汽车供电的新型电池自然也成了研究热点。斯坦利·惠廷厄姆老爷子正是电池研发大军中的一员。

惠老爷子发现，如果往二硫化钽内部插入钾离子，会显著影响二硫化钽的导电性，两者的相互作用富含能量。科学家的敏锐让他意识到，这项技术可以用于电动汽车的储能。由于钽还比较重，老爷子又用重量轻但性质相近的钛代替钽，即以二硫化钛作为新型电池的正极材料。至于负极材料，当然是具有前述优点的锂毫无悬念地当选。

就这样，最初的锂电池诞生了！

研发第二关：安全

闖关者：约翰·古迪纳夫

惠大爷带着锂电池，在历史舞台上C位出道了。闪亮登场的锂电池立即引发了爆炸的轰动——呃，不是比喻，是真的爆炸了！

这是因为，金属锂实在太活泼了：易燃，易氧化，甚至跟超级不爱掺和化学反应的氮气都能发生反应。所以生产组装中稍有不慎，一旦泄进空气，锂电池轻则报废，重则“砰”——起火爆炸。

而在肉眼看不到的地方，还有更大的隐患：电池反复充电，会让锂金属表面形成一些“小毛刺”，叫做枝晶。枝晶越长越大，最终会刺破电池正负极之间的隔膜，造成短路，引起电池自燃，“砰”——爆炸。

虽然惠大爷向锂金属中加入铝，并调整了电解质成分，使锂电池稳定了些，但还不够。

这时就轮到“足够好”老爷爷——约翰·古迪纳夫出手了。

“足够好”爷爷堪称大器晚成和跨界混搭的典范。他小时候有阅读障碍，所以文科不好，于是就读了数学专业;二战退伍后，他被政府送去学物理;54岁时他又跑到牛津教化学，并于四年后找到了能大大改进锂电池性能的神奇材料——钴酸锂。

花絮链接

在牛津，“足够好”老爷子以严厉而著称。据说他教的某门课第一堂来了165个学生，而到第二堂时只剩8个，因为其他人都被吓跑了。

钴酸锂可以取代金属锂，为电池提供锂离子。而且这种氧化物可以拔高电池的使用电压，能量密度更大。更重要的是，相对于疯牛一样活跃的金属锂，钴酸锂乖得很，对空气什么的毫不感冒。至于枝晶问题，在钴酸锂中也得到了改善。简直不要太完美！

不过老爷爷还不满足，觉得钴酸锂的结构仍不够稳定，而且钴的产地少，成本太高。于是在75岁那年，他又推出了磷酸铁锂作为锂电池的正极。这是后话。

研发第三关：耐用

闯关者：吉野彰

“足够好”爷爷升级了锂电池的正极，负极的优化则由日本大爷吉野彰完成。

当吉大爷还不是吉大爷、而是吉小学生时，他的班主任给他推荐了一本科普书，书里有趣的化学知识，比如“蜡烛为何会燃烧”“蜡烛火焰为何变黄”等，立刻迷住了他。

吉大爷大学毕业时，正值日本电子产业飞速发展的黄金时代。便携电子产品如随身听、红白机等风靡世界，日本国内研发轻巧耐用的电池的热情也随之高涨。所以他的成功可谓是时势造英雄。

吉大爷的贡献在于，既然金属锂太危险，而钴酸锂又可以提供锂离子，那干脆一了百了，负极也不用金属锂好了，改用石油焦。这是一种碳材料，它跟正极的钴酸锂一样，可将锂离子插入其中。这样一来，电池工作时不再发生分解电极的化学反应，只是让锂离子在两极间跑来跑去就能产生电流，因此这种锂离子电池非常耐用，可反复充电数百次。而且由于完全没有了金属锂，电池的安全系数也大幅提升。

至此，锂电池终于具备了商业化的条件。从那以后，30多年来，锂电池的基本架构就再也没有太大的改动。

当然，“贪心”的人类永远不会满足于既得的成果。97岁的“足够好”爷爷已开始着手研制新的超级电池;被“足够好”爷爷当成儿子一样疼爱的吉大爷也表示向他学习，“只要还活着就要继续研究”。到明年，锂电池的能量密度有望得到更大提升，那时，屏幕更大却又更轻更薄的手机，也不用担心续航问题了。