客观日本

吉野彰:锂离子电池通往诺贝尔奖之路与未来的ET革命

2019年12月02日 科学家访谈

本文根据2019年10月15日由日本化学会主办的2019年诺贝尔化学奖获奖纪念演讲“锂离子电池开发史与未来”整理而成。

非常感谢大家的到来。接到获得诺贝尔化学奖通知后的这一周里,每天都像在经历暴风骤雨。今天应该是我获奖后的第一次演讲。关于获得诺贝尔化学奖,我想从个人立场和评论家的两个角度来聊聊这个话题。

首先,“锂离子电池”能获得诺贝尔化学奖主要有两个原因。第一是为实现目前的IT社会做出了巨大贡献,这说的是过去。第二个原因是考虑到未来,因为对于解决环境和能源问题而言,锂电池是拥有巨大可能性的具体技术之一。

今年获得诺贝尔化学奖的为什么是这3个人?

吉野彰 锂离子电池通往诺贝尔奖之路与未来的ET革命

吉野彰讲演幻灯片

“以碳材料为负极,以含锂离子的金属氧化物为正极,基于电化学嵌入的非水电解液二次电池”——这是锂离子电池的一般定义。我就针对锂离子电池的这个定义,给大家依次介绍一下锂电池的研究历史。

我们先从背景开始。锂离子电池是“非水电解液二次电池”。锂离子电池是一种可以反复充放电的“二次电池”,使用“非水电解液”。

在开发出采用锂的电池之前,电池一般都是干电池或铅酸电池等使用水溶液的产品。锂离子电池之所以能变得如此小且轻,是因为找到了用有机溶剂取代水的电解法。最先提出这个方法的人是哈里斯博士,他于1956年在学位论文中提出的这个方案。这篇论文发表后,哈里斯博士没有再在电池及相关领域发表论文,不知道他后来做什么了。不过,如果没有非水电解这个新想法,就没有现在的锂离子电池。

接下来看“基于电化学嵌入”这部分。经常有人说锂离子电池的原理是“锂离子的脱出和进入”。这种现象也可以用“电化学嵌入”一词来表示,这是非常重要的基础技术。1975年首次提出该现象可用于电池的是此次获奖三人之一的斯坦利·惠廷厄姆教授。

接下来要介绍的是“以含锂离子的金属氧化物为正极”这部分。不含锂离子的金属氧化物无法用于锂离子电池。在惠廷厄姆教授提出该方案5年后的1980年,全球首次发现了名为“钴酸锂”的含锂离子的正极材料,发现者为此次获奖的第二位得主约翰·古迪纳夫博士。

吉野彰 锂离子电池通往诺贝尔奖之路与未来的ET革命

正在演讲的吉野彰

惠廷厄姆博士提出了电化学嵌入法,古迪纳夫博士发现了正极材料。针对这种正极材料,我发现的是“利用碳材料作为负极”的组合配套方案,并于1985年完成了锂离子电池的原型。这就是我获奖的理由。

当然了,在这之后还有很多其他人的功劳。比如,索尼技术人员西美绪为实际的产品化做出了巨大贡献。之后又有很多人进行各种改良,才形成了现在的锂离子电池。但诺贝尔奖的共同得主最多只能3人,因此根据我刚刚介绍的锂电池开发史进行层层筛选后,最终选定了我们三人。

吉野彰 锂离子电池通往诺贝尔奖之路与未来的ET革命

锂离子电池工作原理(取自吉野彰的幻灯片)

始于聚乙炔的电池开发

我对锂离子电池的研究始于导电聚合物“聚乙炔”,这是一种可以通电的塑料材料。我的研究课题本来与电池没有任何关系。由于在自己的实验室里合成出了聚乙炔,为寻找材料的最佳用途,我调查了多个领域。

当时,围绕新型二次电池的研究非常活跃,但都没能成功实现商品化。原因在于负极材料。由于金属锂的一次电池已经实现商品化,因此业界开始对同样用金属锂作为负极的二次电池进行了大量研究,但进展得并不顺利。当时的电池行业需要新的负极材料。我觉得瞄准电池负极研究聚乙炔的应用应该会很有趣,所以研究的内容逐渐变成了二次电池研究。

调查聚乙炔作为负极使用时的特性发现可以蓄电,而且反复充放电也不容易劣化。接下来的问题就是以聚乙炔为负极实际制作电池时,使用什么样的正极材料合适呢?那就是古迪纳夫博士1980年发现的钴酸锂。这是一种全球首次发现的从一开始就含锂离子的材料。

吉野彰 锂离子电池通往诺贝尔奖之路与未来的ET革命

古迪纳夫博士(左)与吉野(取自吉野彰的幻灯片)

于是我便开始研发,在第二年的1983年,暂时完成了以钴酸锂为正极、以聚乙炔为负极的锂离子电池原型。但这款原型并不能满足使用需求。

需要实现小型轻量化

开发时的实际需求是想把“体积”和“重量”都减至已有二次电池的三分之一。那么实际使用聚乙炔制作的电池情况如何呢?重量基本达到满分,减到了当时镍镉电池的三分之一左右。但是很遗憾,体积与镍镉电池基本相同。

因此跟多家用户说明了这种情况,并询问他们“如果只能在小型化和轻量化之间任选其一的话,会优先选择哪个”。得到的回答全部是优先小型化。现在的智能手机也是一样,首先必须能放进那么狭小的空间里才行。因此首要任务是实现小型化。

吉野彰 锂离子电池通往诺贝尔奖之路与未来的ET革命

演讲吸引了700多名听众

无法减小体积的原因在于,聚乙炔的真密度(物质自身的体积密度)比较小。真密度小的话,重量比较轻,但体积“太大”。问题出在物质的真密度上的话,就没有太大的改良空间了。于是我就开始调查是否有功能与聚乙炔相同,但真密度比较大的材料。

首先当然想到了碳材料,因此把当时已经发现的所有碳材料都作为负极材料进行了评测。但遗憾的是,当时并没有能在找到的碳材料中发现合适的擦亮了。就是在这种情况下,发现了名为“VGCF”的新材料。

VGCF是一种制作方法非常特殊的碳纤维,而且也是旭化成公司里与电池开发没有任何关系的纤维开发研究所开发的材料。由于在同一家公司,我迅速拿到样品进行了评测,发现这种材料非常好,VGCF的特殊晶体结构可用作电池的负极材料。晶体结构明确了,接下来“顺藤摸瓜”就行了。之后又陆续开发出了很多新的负极碳材料,一直到今天。

不过,至今还没有出现性能超过VGCF的碳材料。VGCF的价格非常高,因此100%作为负极材料使用的话,电池价格会高得离谱。在性能稍低的廉价碳材料中加入1~2%的VGCF后,性能会大幅提高,所以大家现在使用的锂离子电池就是用这种方式来降低总成本的。

最后的课题是安全性

上面介绍的都是发生在1984年以前的事。当时,业界大力研究的新型二次电池迟迟未能实现商品化的主要原因是“安全性”。因此,新开发的这款二次电池能否满足安全要求非常重要。如果能证明满足安全要求,就可以继续下一步,不满足的话,就要立即停止研究。这是理所当然的。

1年后的1985年,我手工制作了多种电池,评测了安全性。测试非常简单,就是从电池上方扔下一个铁球,看看会发生什么。

首先是锂电池。一测试,金属锂溢出起火。需要反复充电放电的二次电池是不能这样的。最终锂离子电池通过了这样的冲击测试,促成了之后的商品化。如果在测试中起火,锂离子电池也就不会面世了。

就这一意义而言,我觉得锂离子电池的诞生可能就是进行安全性测试的那个瞬间。虽然后面也出现过各种各样的问题,但总算走到了今天。

吉野彰 锂离子电池通往诺贝尔奖之路与未来的ET革命

幻灯片中播放了测试时的视频。一次电池锂电池(左)在测试中起火,而锂离子电池(右)没出现任何状况。这一瞬间,便宣告锂离子电池可以正式商品化了。

锂离子电池研究与福井谦一先生和白川英树先生颇有渊源

下面聊一聊我今天最想说的话。关于技术的历史和研究的传承。日本人第一次获得诺贝尔化学奖是在1981年,获奖者为京都大学的福井谦一先生(已故)。而我刚好是福井先生的徒孙。

福井先生获得诺贝尔化学奖是因为“前线分子轨道理论”。简单来说就是,通过计算从理论上预测化合物的特性和化学反应,而非实际做实验。锂离子电池的研究实际上也广泛应用了福井先生的前线分子轨道理论。

接下来是第二位诺贝尔化学奖得主白川英树先生(2000年)。白川先生的成就是发现了“聚乙炔”。这种材料也是利用福井先生的前线分子轨道理论预测得到的化合物。理论预测显示,如果能开发出通过“共轭双键”整齐地连接在一起的聚合物,那么不但可以通电,还会散发出金属光泽,白川先生发现了这个实物。

吉野彰 锂离子电池通往诺贝尔奖之路与未来的ET革命

演讲中的吉野彰

福井先生提出非常基础的前线分子轨道理论,取得了巨大成就,白川先生发现了具体的化合物。虽然锂离子电池的负极改成了碳材料,但电池基本上是通过聚乙炔的研究诞生的。我以前就想过,如果自己能获得诺贝尔化学奖,一定要讲讲这些前辈的功绩,今天终于如愿了。

说点多余的话,1981年福井先生获奖,2000年白川先生获奖,2019年我获奖。这中间有个规律,大家看出来了吧,就是间隔19年(相互关联的研究每隔19年获一次奖)。如果明白这个规律的话,未来这10年就不用太着急了。下一次获奖是哪年大概就有数了。我觉得一定是那样的。

下一次工业革命将发生在环境和能源领域

最后想聊一聊未来的话题。

锂离子电池刚刚面世时完全卖不出去,但从某个时候开始突然变得畅销起来。那个时候就是1995年,即“Windows95”面世的那一年,世界开始步入移动IT社会的关键时刻。

开始作为IT设备电源使用的锂离子电池与IT社会一起实现了迅猛增长。“锂离子电池相关专利申请件数走势”在1995年至2002年间描画出的巨大“山峰”彰显出了IT革命的轨迹。随着IT革命的兴起,社会发生了巨变,各种研究成果以专利申请件数的形式表现了出来。

吉野彰 锂离子电池通往诺贝尔奖之路与未来的ET革命

锂离子电池专利申请件数趋势图。专利申请件数清楚地描绘出了IT革命的轨迹。

问题在于之后。2003年至2006年前后申请势头有所减弱,但之后一直到现在,申请数量开始再次增加。这明显是因为IT革命之后发生了什么。IT革命是指信息技术的巨大变革。继IT革命之后,现在正在发生变革的是能源(Energy)和环境(Environment)。我认为,专利申请数量近年来的增长是因为相应领域已经开始或者正在开始发生巨大变革。由于两个领域都是“E”打头,所以姑且称其为“ET革命”应该是最恰当的。IT革命被视为第三次工业革命,那么ET革命就是继IT革命之后发生的第四次工业革命。

最近出现的AI(人工智能)和IoT(物联网)正属于ET。AI、IoT、5G、共享……我认为,随着这些新技术获得财源推进开发,或许能诞生解决人类目前面临的最大课题——环境问题的关键技术。锂离子电池也将用于AI、IoT和5G等,我觉得会创造出一个这样的世界。

吉野彰 锂离子电池通往诺贝尔奖之路与未来的ET革命

讲演中播放的视频:ET革命带来的未来

要想实现ET革命,当然需要研究开发和发明创造。我说下一次获得诺贝尔奖是19年后。从2019年算起,19年后就是2038年,那个时期的诺贝尔化学奖的获奖对象应该是为解决环境问题做出的巨大贡献的技术。或许还能再获得一个诺贝尔和平奖。肯定会是这样一个级别的巨大成就。另外,如果可能的话,衷心希望能在日本诞生出这样的世界级超级英雄和超级巨星。

锂离子电池通往诺贝尔奖之路与未来的ET革命

吉野 彰

1948年出生。1972年在京都大学研究生院取得硕士学位。1972年进入旭化成公司,1981年开始着手研究新型二次电池,1985年发明锂离子二次电池。1992年参与设立与东芝的合资公司A&TB,推进了锂离子二次电池的商业化。现为旭化成公司的名誉研究员。2004年度获得日本紫绶褒章,2013年获得俄罗斯的全球能源奖(Global Energy Prize),2014年获得美国国家工程院的查尔斯·斯塔克·德拉普尔奖(National Academy Charles Stark Draper Prize),2018年获得日本国际奖(JAPAN PRIZE),2019年获得欧洲发明家奖(European Inventor Award,非欧洲部门),同年10月获得诺贝尔化学奖。

日文全文

日文: 腰高直树 JST Secience Portal
中文:JST客观日本编辑部

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