锂离子电池已经彻底改变了我们的生活，广泛用于手机、笔记本电脑、电动汽车。本年度，诺贝尔化学奖授予锂电领域的科学家，是对仍在从事锂电研究的科研人员的激励。

    瑞典皇家科学院10月9日宣布，将2019年诺贝尔化学奖授予来自美国的科学家约翰·古迪纳夫、斯坦利·惠廷厄姆和日本科学家吉野彰，以表彰他们在锂离子电池研发领域作出的贡献。

    三位科学家领衔发展的便携式二次电池，开启了电子设备便携化进程，促进了清洁能源的发展，极大地改变了人们的生活方式。诺贝尔化学奖颁给锂电领域的三位科学家，是对每一位为锂电池从无到有、从实验室走向商业化作出贡献的锂电从业者的认可，也是对仍在从事锂电研究的科研人员的激励。

    20世纪70年代，石油危机直接促成了锂电池研发的开端。美国石油巨头埃克森公司判断石油资源作为典型的不可再生资源，将不久之后面临枯竭，于是组建团队开发下一代替代石化燃料的能源技术。斯坦利·惠廷厄姆提出了一种全新的二硫化钛作为正极材料，可以在分子层间储存锂离子。当其与金属锂负极匹配时，电池电压高达2伏特。然而，金属锂活性高，导致电池安全风险大。当时在英国牛津大学无机化学实验室担任主任的古迪纳夫推断，采用金属氧化物替代硫化物作为正极，可以实现更高电压，改善锂离子电池的性能。

    1980年，古迪纳夫用钴酸锂作为电池正极，可将电池的电压提高到4伏特。钴酸锂的横空出世是锂离子电池领域的极大突破，至今仍是便携式电池的主力正极材料。受制于金属锂负极的不稳定特性，当时锂离子电池的安全性仍是严重问题。

    1985年，吉野彰采用石油焦替换金属锂作为负极，发明了首个可用于商业的锂离子电池。1991年日本索尼公司发布了首个商用锂离子电池。经过30多年的工业化发展，锂离子电池的能量密度、成本和安全性取得了长足进步，并深入到我们生活的方方面面。正如诺贝尔奖委员会表示，锂离子电池已经彻底改变了我们的生活，广泛用于从手机到笔记本电脑及当代的电动汽车。

    时至今日，锂离子电池的发展也逐渐走向成熟，循环寿命、成本、安全性方向都有极大提升。基于此，便携式设备、电动汽车和储能电站也蓬勃发展，清洁能源的利用更加高效，人们的生活和出行方式极大改变。中国的锂离子电池技术和市场也涌现出一大批具有国际竞争力的新能源企业，如CATL、比亚迪等，在便携式电池和动力电池领域具有更多的话语权。

    受制于锂离子电池原理的限制，现有体系的锂离子电池能量密度从每年7%的增长速率已经下降到2%，并逐渐逼近其理论极限。与之相反，随着社会的进步，人们对便携、清洁的生活需求更加强烈。如何提出新原理、新体系、新方法实现能量密度更高、更安全、充电更快的储能过程？如何在电子、原子、分子、材料尺度理解储能过程中电极的演变规律？如果锂电池成为未来社会储能的主体，如何结合地球上有限的资源实现电池的全链条回收和再制造还是悬而未决的挑战。

    在这样的形势下，涌现出锂硫电池、锂空电池、钠离子电池、钾离子电池、镁离子电池、铝离子电池、锌离子电池、固态电池等许多新体系电池。新材料的产生，也给这些新体系的发展带来了新机遇。

    将纳米碳材料引入到金属锂负极中，能够产生亲锂特性调控金属锂的形核和沉积，提升金属锂负极的利用效率和安全性。复合固态电解质引入二次电池中，带来了锂离子的新输运机制，降低可燃物质的比例，提升了电池的安全性。采用钠、钾、铝、锌等离子并研发其能源化学新原理，有望提出具有独特性质的新型储能器件，有效满足未来社会对于储能设备的新需求。

    （作者系清华大学化学工程系教授，从事能源材料，尤其是金属锂、锂硫电池和电催化的研究）