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张强
2019年诺贝尔化学奖授予美国德克萨斯大学奥斯汀分校约翰·德纳夫、美国纽约州立大学宾厄姆分校斯坦利·温丁汉和日本旭化成株式会社吉野彰3人，表彰了其对锂离子电池开发的卓越贡献。 锂电池是怎么开发的？ 未来的发展如何？
1没有锂电池就没有移动智能生活
我们已经生活在“可充电的世界”，真正带来电子设备便携化，开始现代移动生活的是锂电池。 没有锂电池，就没有我们现在的移动智能生活。
锂电池由于轻量、可充电、功能性强、便携性强，从手机到笔记本电脑被广泛应用。 全球用来为便携式电子设备供电。 我们使用这些便携式电子设备进行通信、工作、学习和娱乐。
锂电池还促进了长寿命电动汽车的开发和来自可再生能源(太阳能和风能等)的能源储藏，为实现无线(可移动)无化石燃料的社会奠定了基础。 锂离子电池作为储能设备，从根本上改变了人类的生活。
此次诺贝尔化学奖得到了每一位从锂电池的有无到有无、从实验室对商业化做出贡献的锂业者的认可，是对锂电气研究和志向清洁、持续推进手机社会发展的人们的鼓励。
2石油危机直接促进了锂电池的研制
20世纪70年代，石油危机直接促进了锂电池的研制。 美国石油巨头埃克森认为石油资源作为典型的不可再生资源，不久将面临枯竭，组成团队开发了代替下一代化石燃料的能源技术。
锂电池是人们提出的新型电池之一。 当时，在埃克森公司工作的斯坦利·温丁汉提出了新材料二硫化钛作为正极材料，可以在分子层间储藏锂离子。 与金属锂负极匹配时，电池电压高达2V。
但是，由于金属锂的负极活性高，带来了极其安全的风险，该电池还没有普及。 但是科学家们没有放弃探索。 既然问题出在电极材料上，也许更换电极就能解决问题。
当时在英国牛津大学的无机化学实验室担任主任的古德洛夫推测，通过采用金属氧化物代替硫化物，可以实现更高的电压，改善锂离子电池的性能。
1980年，格纳夫利用钴酸锂作为电池的正极，把电池的电压提高到了4V。 钴酸锂的横空诞生是锂离子电池领域的一大突破，至今仍是便携式电池的主要正极材料。
31990年代首次出现商用锂电池
但是，受金属锂负极不稳定特性的束缚，锂离子电池的安全性仍然是一个严重的问题。 1985年，日本科学家吉野彰采用石油焦作为负极，采用钴酸锂作为正极，作为商业用锂离子电池首次开发。 1991年，索尼首次推出商用锂离子电池。
经过三十多年工业化的发展，锂离子电池的能源密度、成本和安全性取得了很大进步，深入了我们生活的各个方面。
在目前广泛使用的商用锂电池中，锂离子是以特殊层状材料为电池正负极的“主人”家，随意完成“关门”电池的充放电。
另外，锂离子这一吸留和脱离的“关门”过程对“主人”家的物质结构没有影响，但整体过程不是物理反应，而是化学反应。
4锂电池还有很大的发展空间
今年诺贝尔化学奖颁发给锂电池领域，是该行业的极大肯定和激励。 锂电池从诞生到推广应用，至今仍面临着诸多困难挑战。
从1991年索尼公司商业化生产的第一个锂离子电池开始，这个锂离子“关门”的“摇椅电池”成为最有前途、发展最快的市场。 但受锂离子电池原理的制约，目前系统的锂离子电池能量密度从每年7%的增长率下降到2%，接近理论界限。 相反，随着社会的进步，人们对手机、清洁生活的需求更加强烈。
采用以更少的质量储存更多电力的电极材料，有望构筑能量密度更高的锂离子电池。 金属锂的比容量高达3860mAh/g，是构筑高比能电池的终极材料。 但是，如果将金属锂原封不动地作为电池的负极材料使用的话，“跗骨的蛆虫”枝晶就无法逃脱。 面对引起锂电池安全危险的“大敌”，世界各国科学家不断努力。
5应对锂电池安全的大敌“枝晶”
已知电池分为正极、负极和电解质，通过氧化还原反应产生电流，放电时离子从负极流向正极，充电时离子从正极流向负极。
在锂电池中，放电时锂被氧化，离子进入电解质，最终到达正极再充电时，这些锂离子在锂金属负极的表面再析出。
但是，这种沉积往往不均匀，随着锂电池的频繁使用，在锂金属表面生长出针状或树枝状的枝晶。 枝晶生长过长时会折断，不参与反应，给电池系统带来不可逆容量损失的最危险的是，生长的枝晶会刺破电池正负极间的隔板，引起短路，填补电池过热自燃或爆炸的安全危险。
在锂领域，如何“鱼与熊掌并存”？ 如何通过提出新的原理、新的系统、新的方法，实现能量密度更高、更安全、充电更快的贮藏过程？ 这些都是锂电领域未来面临的挑战。
在这种情况下，出现了锂硫电池、锂空电池、钠离子电池等多种新系统电池。 新材料的不断发生，给这些新体系的发展带来了新的机遇。
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我国锂电研究者开展了许多原创工作
日美韩德英等国制定了各自的电池发展战略，推进了电池原理的革新和核心技术的开发，支撑着现代社会的可持续发展。 我国的锂电气研究者们在国家和社会的支持下，围绕高效能源储藏这一不变的“初心”，继续着科学研究。
目前，锂电池领域的主流研究方向集中在寻找更安全高效的负极材料上。 笔者率领的清华大学研究小组从2013年开始，在金属锂负极核和无枝晶生长领域开展了原创科学研究。
根据研究，在金属锂负极中添加亲锂性的添氮碳骨架，对从电池游离的锂离子进行充电初期，蝌蚪为了寻找母体，优先向青蛙的母体即添氮部位奔跑，在形成均匀分布于电池的金属锂“小集团”的充电中，“蝌蚪和青蛙” 这种均匀沉积的行为可以避免传统形核较少引起的金属锂枝晶的生长。
基于上述成果的论文于2017年被评为化学领域首期《德国应用化学》的封面，今年也被评为北京市科学技术协会主办的《北京地区引人注目的学术论文》的评选活动。 研究小组根据上述能量化学机理，进一步设计了碳锂复合负极。 这些复合金属锂负极不仅避免了“危险枝晶”，还显示了优异的电化学性能，提高了金属锂负极的利用效率和安全性，为基于金属锂的二次电池提供了新的实用化探索思路和广泛的应用前景。
除锂电池外，还采用钠、钾、铝、锌等离子体，开发了其能量化学新原理，有望提供一种具有独特性质的新型储能器件。 除了电化学贮藏外，还采用其他能源贮藏和转化方式和新的能源载体，构建具有霸权的贮藏技术，有望满足未来社会对贮藏设备的新需求。
解决下一代能源储备和转换技术的突破，已经在路上。
(作者是清华大学化学工程系教授，“北京地区学术论文系列报告会备受关注”化学学科报告员)
