2019年诺贝尔化学奖揭晓：锂电池重新定义未来
2019年诺贝尔化学奖揭晓，以表彰他们开发锂离子电池的贡献！
10月9日消息，北京时间10月9日17点45分，约翰·B·古迪纳夫（John B. Goodenough）、M·斯坦利·威廷汉（M. Stanley Whittingham ）、吉野彰（Akira Yoshino）美英日三人获得2019年诺贝尔化学奖，以表彰他们对锂离子电池方面的研究贡献。
锂电池是一种重量轻、可充电、功能强大的电池，现被广泛应用于手机、笔记本电脑、电动汽车等多个领域，它还可用于储存太阳能、风能能源，使无化石燃料的现代社会成为可能。
全球范围都在使用锂电池，它可作为实现通讯、工作、研究、听音乐和学习的便携式电子设备的动力源。此外，锂电池还能应用于远程电动汽车、太阳能和风能的可再生能源存储。
锂电池的最初研发可追溯至上世纪70年代石油危机时期，M·斯坦利·威廷汉致力于开发可以实现无化石燃料能源技术的能源方案，他开始研究超导体，发现一种能量充沛的材料，使用该材料作为锂电池阴极，它是由二硫化钛制成，在分子等级上，二硫化钛可提供空间容纳锂离子插入。
锂电池阳极部分是由金属锂制成，锂具有很强的释电能力，理论上具有2伏特电能，然而金属锂反应性较强，仅使用锂作为电池很容易发生爆炸，导致电池无法使用。
约翰·B·古迪纳夫预测称，如果使用一种金属氧化物，而不是金属硫化物来制造电池阴极，将具有更大的潜力。经过一系列努力研究，1980年，古迪纳夫证明了嵌入锂离了的氧化钴可以产生高达4伏特电能，这是一个非常重要的技术突破，意味着将研制出功能更加强大的电池。
以古迪纳夫的电池阴极作为基础，吉野彰研制了首个商业锂离子电池，他没有在阳极使用活性锂，而不是采用石油焦，这是一种碳材料，像阴极的钴氧化物一样，可以插入锂离子。
最终研制的锂电池具有重量轻、耐磨的特点，可充电使用数百次，锂离子电池的优点是，它们不是基于分解电极的化学反应，而是基于锂离子在阳极和阴极之间往返流动。
自1991年锂电池首次进入市场以来，现已彻底改变了人们的生活，它为人们的无线通讯、无化石燃料的现代社会生活奠定了基础，并为人类带来了最大利益。
获奖者简介：
好奇心是推动我前行的主要动力。
——诺贝尔化学奖得主吉野彰（Akira Yoshino）在新闻发布会上的发言。
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2017年，吉野彰出席了第一财经技术与创新大会，在会上他谈到关系锂电池未来发展的4个关键词。
“锂电池之父”吉野彰：锂电池重新定义未来
作者：王佑来源：第一财经日报
淡灰色的衬衫加暗条纹格领带、剪裁利落的黑色西装，坐在记者面前的是日本科学家吉野彰，他清瘦而有礼貌。
如果不是看过他的履历，你丝毫觉察不出这是一位拿奖无数的“锂电池之父”，全程从未谈起自己有过什么荣誉，淡定地聊着对锂电池技术的理解，有一些问题会停下来思考良久再给出答案，说到兴起时他也会仰起脖子大笑。
时隔四年，再次探访上海的他，感慨于车用锂电池和新能源汽车发展的迅猛之势，也对中国锂电池制造商的评价甚高。他笑言，借助于日本科技力量，锂电池在研发上有了重大突破，而中国企业也正与全世界公司一道，让锂电池重新定义未来，“尽管技术千变万化，然而与之相对应的科学研究并非一日之功，在快慢之间寻求平衡与突破是科技的真正要义所在。”
▌择一事专一生
2013年，俄罗斯总统普京向在动力科研及科学创造方面取得杰出成就的人，颁发了俄罗斯全球能源大奖“The Global Energy Prize”，选中的全球技术专家有两位，日本旭化成的吉野彰、俄罗斯科学院院士福尔托夫。
颁奖典礼上，被普京本人委托发奖的俄罗斯石油总裁伊戈尔·谢钦就评价道，这一奖项是人类对科学家们科研和实际成果的感谢表达，吉野彰创造的价值难以估量，他从上世纪80年代开始就从事储能方面的研究工作，研制的锂电池带来了彻底的技术革命，依靠它，录音机、手机和平板电脑的体积和重量才越来越小巧，而纯电动和混合动力等交通工具也开始使用锂电池。
“接到来自莫斯科的电话我非常激动，”吉野彰说道，“2011年3月，日本福岛的悲剧带来了巨大的破坏，核电站的灾难也再次告诉这世界，动力问题的解决需要不分国界的科学结集。”
与众多日本科技学者的经历有些类似，吉野彰只服务过一家公司——旭化成。该技术的研发也是在这家著名日本化工公司的全力支持下完成的。1970年3月，吉野彰从京都大学工学部石油化学专业毕业，随后的2年继续攻读了同校的工学研究专业并顺利在1972年4月入职旭化成株式会社。
1980年，旭化成成立了宫崎电子株式会社(现在的旭化成电子株式会社)，从而正式切入电子元件产业，这对于入行8年的吉野彰来说也是人生的一大际遇， “而现在的锂电池形状是在这个5年之后即1985年发明的，随后进行了各种各样的产品技术开发。”
他对第一财经记者说，自己感触最深的也是那一年，当时摄像机对锂电池的需求被突然放大，全世界每个月能卖到100万台左右，“难以想象的是，如今摄像机用电池市场也只能占锂电池所有需求的1%，这也说明在30多年的时间中这一技术发展的速度高达100倍。从智能手机、电脑再到电动汽车，由于锂电池的产生，这些科技产业也有机会获得惊人的成长。”
1985年之后，多个专利如防爆型二次电池、附带安全元件的二次电池等被吉野彰获得，他由此声名鹊起。
锂电池是蓄电池的一种，它之所以相比其他电池更具前瞻性，主要还是因为安全性高、体积小、能量密度高等特性，而20世纪80年代也是移动设备研发的黎明期，锂电池的出现也刚好顺应了时代发展。“在日常生活中不断摸索客户与这个社会到底需要什么，我们如何利用科学技术来满足这些需求，这是科研人员要做的。比起一本正经地思考有啥新发现，做一些调整并漫无目的地想想，有时灵感自然就会浮现出来。”吉野彰表示。
他说道，以前蓄电池的电解液(含有离子的溶液)溶剂是水。对水施加1.5V以上的电压后，水会分解为氢和氧。因此，在过去是不可能取得超过1.5V电动势的。而用有机溶剂取代水，同时在负极使用碳，即可取得4V以上的电动势。
此外，通过正极使用钴酸锂(含有锂离子的金属氧化物)，旭化成率先在世界上提出了锂电池的原型。这种小型的蓄电池能用在手机、笔记本电脑、数码相机及摄像机、便携式音乐播放器等为主的各种电子设备上，所以它的出现是重量级的。
▌锂电池时代
随后的1991年，全球正式推出了商品锂电池。1年后，吉野彰在公司的帮助下，担任了离子二次电池事业推进部商品开发组组长，1994年8月再次成为株式会社A&T蓄电池技术开发部部长。
当时，旭化成开发的锂电池并不好卖，一段时间内几乎无人问津，突然有一天销路被打开了，那是1995年，“对于我们来说也是非常重要的一年，因为全球进入了移动IT时代，手机、平板电脑都要大量使用锂电池，整个世界走向了移动互联，所以锂电池也呈现了几何级的增长。”
1995年，微软发布了具有划时代意义的Windows95操作系统，它带着“我的电脑”、“IE浏览器”等一系列发明一路狂奔、战无不胜，全球科技界对Windows95的横空出世不断惊声尖叫，而这对于大洋彼岸的科学家吉野彰而言，印象也太深刻了。
“我们身处IT社会。这场IT革命起源于1995年。正是在那一年，微软发布了Windows95。也就是在那之后，锂电池引领了全球的抢购风潮。”他说道。而吉野彰及一批科学家的新成果，也获得了来自世界各地学会和专家们的共鸣。
由于技术出众，1999年起无数大奖被他一一揽入：日本政府的“紫绶褒章”、美国电气和电子工程师协会(IEEE)的“IEEE Medal for Environmental and Safety Technologies”(环境与安全科技奖章)、全美技术学会的最高奖项“The Charles Stark Draper Prize”(查尔斯·斯塔克·德雷珀奖)等。
在科技进步的推动下，旭化成电子业务也取得了惊人成就。
成立于1922年的旭化成株式会社是日本著名的化工企业，2016年主营化学品的销售额为84.49亿美元，全球化工企业排名39位。这家日资巨头从工程塑料、防火防震的建筑材料到医药用品、医疗器械以及电子等都处于世界领先。
吉野彰所在的锂电池研发，属于旭化成材料领域，公司也极为重视。
就商业产成品来说，旭化成在全球锂电池行业的影响力则体现于隔膜材料的第一话语权，拥有世界最高市场份额。凭借着2015年2月斥资22亿美元收购全球第三大电池绝缘体生产商美国Polypore International公司的这一举动，成为了干湿法隔膜的主导厂家。
2017年3月，旭化成宣布投资150亿日元，用于滋贺县守山市的锂离子二次电池(LIB)用的隔膜，实现锂电隔膜2亿平方米/年的产能，并预计在2020年实现11亿平方米/年的产能。
由于隔膜在生产过程中技术壁垒不低，对设备及设计、产品批次稳定性以及工人熟练程度都有着很高的要求，因此这一领域被日本旭化成、韩国SKI、东丽-BSF以及美国Celard等四大企业垄断，市场占有率高达70%。不过，随着锂电池需求的增大，中国企业如沧州明珠、星源材质也在尽快谋求发展，赶上锂电池快速发展的节奏。
▌多技术路线并举
20多年前，当Windows95到来的那一刻，吉野彰彻夜难眠。如今，他对于锂电池的发展前景依然充满着期待。
“就锂电池本身而言，现在主要应用在两大领域：一是移动式产品，如手机、电脑，占锂电池使用量的2/3左右;第二大领域便是车载电池。世界变化的速度实在太快了，根据我们2010年掌握的数据统计，当时车载用锂电池几乎是零，现在则要达到30%多，以后这一比例可能还会不断增加。电动汽车的出现，等于给锂电池打开了一个新的应用方向，是全新的商业机遇。”
他不否认，目前车载电池还是有一些弱点的，但这并不能归结于锂电池本身的技术困境，也有一些客观原因。笔记本电池毕竟经历了20多年的时间，但车用电池的使用时长从被开始使用到目前还很短暂，汽车行业在一边摸索新车型，一边研发及制造着锂电池。
另一方面，一辆汽车推出市场的时间很久，从设计到下线通常需要5年的时间，而2017年的一款全新电动汽车可能是2012年设计出来的，包括锂电池等配套产品也是过去的设计。
反过来讲，现在这辆新车其实装的是一块老电池。但是科技研发的速度很快，有的3个月就需要更新一次，锂电池也要面对这种技术难题。
“所以说，有人认为电动车的续航里程还是太短，应尽快解决，我认为锂电池确实有提高的空间，但你要明白车的开发和电池的周期性特点，给它一些时间来解决。如2015年，人们看到了续航里程为200公里左右的电动车，那么到了2020年你可能会看到续航400公里左右的车型。当然也不排除个别车企在设计、研发及生产环节中比别人跑得更快，这也是阶段性的突破。”吉野彰说，续航距离会有变化，真正会变化到什么程度，现在也很难确定。
LIB种类多样，市面上就有磷酸铁锂、三元锂及钛酸锂等各类技术路线。
吉野彰认为，从续航距离看，三元锂电池还是有很大的优势，但如果车主和乘客并不在意每天的路程有多远，而是考虑安全性和耐温能力的话，那么磷酸锂电池和钛酸锂电池确实也是好的选择。“你不能说哪个技术一定是最强的，还是要看你对汽车的性能、安全性和其他需求是什么，所以我感觉在一段时间内锂电池的发展还是多重技术路线并举的。”
让他更为诧异的，还有中国锂电池军团的突围。“比亚迪、CATL等企业都有着非常强劲的动力，技术层面上也很乐观，”吉野彰说道，日本和中国在制造锂电池方面也有一些不同，“最大的区别在于材料上。
日本在材料上的研发时间更长一些，因为有过去积累的经验，所以和近期崛起的中国厂商还不太一样。反过来说，生产装配、新机器等，两国企业没什么大区别。还有一点较关键，锂电池是用在哪个国家、哪个市场的，当地的需求是什么，要怎么去抓住它。”
他说道，目前锂电池主要在日本、中国及韩国等三地企业中竞争，不排除美国和欧洲也会产出，“我认为未来需要关注的是欧洲市场，它会有很大的机会。”
来源： 第一财经日报 作者：王佑
诺贝尔化学奖近5年获奖者
2018年，美国科学家弗朗西斯·阿诺德、乔治·史密斯和英国科学家格雷戈里·温特尔获奖，以表彰他们在酶进化控制研究等领域的贡献。
2017年，瑞士洛桑大学的雅克·迪波什、美国哥伦比亚大学的约阿基姆·弗兰克和英国剑桥大学的理查德·亨德森获奖，理由是“研发冷冻电子显微镜，用于测定溶液中生物大分子高分辨率结构”。
2016年，法国斯特拉斯堡大学的让 - 皮埃尔·索维奇，美国西北大学的J·弗雷泽·斯托达特爵士和荷兰格罗宁根大学的伯纳德·L·费林加获奖，以表彰他们在分子机器设计与合成领域的贡献。
2014年，美国科学家埃里克·白兹格、德国科学家斯特凡·W·赫尔、美国科学家威廉姆·艾斯科·莫尔纳尔获奖，理由是“研制出超分辨率荧光显微镜”。
数说诺贝尔化学奖（1901年~2018年）
▲ 110次
1901年~2018年，诺贝尔化学奖共颁发110次。其间有8年未颁发，分别是：1916年、1917年、1919年、1924年、1933年、1940年、1941年和1942年。▲ 63次，23次，24次有63次只颁给一位获奖者有23次颁给两位获奖者有24次颁给三位获奖者
1911年——玛丽·居里
1935年——艾琳·约利奥特-居里（Irène Joliot-Curie）（玛丽·居里的女儿，弗雷德里克·约利奥特的妻子)
1964年——正多罗西·克劳福特·霍奇金
2009——阿达·尤纳斯（Ada Yonath）
2018年——弗朗西斯·阿诺德（Frances H. Arnold）
▲ 3人
在180位诺贝尔化学奖获得者中，有3人多次获奖。他们分别是：
玛丽·居里
1903年 物理学奖
1911年 化学奖
莱纳斯·鲍林（Linus Pauling）
1954年 化学奖
1962年 和平奖
弗雷德里克·桑格
1958年 化学奖
1980年 化学奖
其中，莱纳斯·鲍林是唯一两次单独获得诺贝尔奖的人。
▲ 家族
居里夫妇一家是最成功的“诺贝尔奖家族”。1903年，玛丽·居里和丈夫皮埃尔·居里共同获得诺贝尔物理学奖。1911年，玛丽·居里再次获得诺贝尔化学奖。1935年，两人的大女儿艾琳·约利奥特·居里和她的丈夫弗雷德里克·约利奥特一起被授予诺贝尔化学奖。
小女儿伊芙·居里（Eve Curie）为联合国儿童基金会（UNICEF）工作，并且嫁给了亨利·拉博伊斯（Henry R. Labouisse）。1965年，亨利·拉博伊斯代表UNICEF接受了诺贝尔和平奖。
Ulf von Euler（儿子），1970年诺贝尔生理学或医学奖得主。
Roger D. Kornberg（儿子），2006年诺贝尔化学奖得主。
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