3個諾獎得主+元素週期表3號元素，汽車業就這樣被改變了

本屆諾貝爾化學獎得主的成就———鋰離子電池多個方面讓人們的汽車生活發生了質的變化

每年的諾貝爾獎都會引起社會各界的強烈關注。在各項諾貝爾獎中，化學獎是比較特殊的一個。

一方面，設立該獎的阿爾弗雷德·伯納德·諾貝爾（Alfred Bernhard Nobel）本人就是一位傑出的化學家，最著名的發明是以硝化甘油製作炸藥。另一方面，不少獲獎成就並不侷限化學，而是涉及生物學、物理學等多重學科，因此諾貝爾化學獎也被調侃為“理科綜合獎”。他們的成就往往對人類生活的影響更為直接，也更接地氣，今年的諾貝爾化學獎尤為如此。

2019年諾貝爾化學學獎頒發給了美國科學家約翰·B·古迪納夫（John B。 Goodenough）、英國科學家M·斯坦利·惠廷厄姆（M。 Stanley Whittingham）和日本科學家吉野彰（Akira Yoshino），以表彰他們在鋰離子電池研發領域作出的貢獻。而鋰電池從手機、筆記本到電動汽車，奠定了無線、無化石燃料社會的基礎，從根本上改變了人們的日常生活。

“他們創造了一個可充電的世界。”諾貝爾獎委員會在頒獎詞中寫道。

鋰離子電池的誕生

電動汽車的發明其實比內燃機汽車更早，直到1912年還在市場份額上佔有優勢，後來由於電池技術進步緩慢而被歷史淘汰。電動汽車之所以能夠在百年之後重新大放異彩，正是因為鋰離子電池技術的成熟和商業化的功勞。

對汽車來說，由於空間有限，還需要載人載物行駛，如果用電池來驅動，對電池的能量密度有很高的要求，既不能過多犧牲座艙與後備箱空間來裝電池，也不能揹著太重的電池到處跑。若找不到合適的高能量密度電池，電動汽車就無法真正成為合格的交通工具。

1970年代，阿以戰爭導致了兩次國際石油危機，尋找新型能源成為了全球的共識，也為電動汽車的新動力埋下了希望的種子。

1976年，由斯坦利·威廷漢團隊製成了世界上第一塊可充電的鋰離子電池，並申請了鋰電池專利。當時的鋰電池正極部分由能釋放更多電子的金屬鋰製成，陰極用二硫化鈦，電壓剛剛超過2V，能夠在分子水平上讓鋰離子嵌入其中。

但這種鋰電池電化學屬性極不穩定，在充電過程中非常容易起火爆炸，並且在反覆充放電的過程中，電池容量衰減極快，並不適用於商業應用。

鋰電池的安全難題直到4年後，才由約翰·B·古迪納夫這位30歲才畢業的物理學博士實現突破。古迪納夫推測，如果用一種金屬氧化物而不是金屬硫化物來製造陰極，那麼電池將具有更高的電壓。經過系統的研究，1980年他證實將鋰離子嵌入氧化鈷可以產生高達4V的電壓。由此發現的層狀氧化物正極材料——鈷酸鋰成為了鋰電池的一個重要突破。

如今的手機、筆記本等便攜裝置幾乎都在使用鈷酸鋰，包括特斯拉的第一款汽車用的也是鈷酸鋰。1997年，古迪納夫又研發了磷酸鐵鋰正極材料，當前電動汽車爭論不休的兩大電池技術，三元鋰和磷酸鐵鋰都離不開古迪納夫的研究成果。

在古迪納夫研究基礎上，日本名古屋市旭化成（Asahi Kasei）公司研究員、名城大學教授吉野彰（Akira Yoshino）於1985年成功地從電池中用更安全的鋰離子替代了純鋰，發明了採用碳材料作為陽極的鋰離子電池，從而讓鋰電池有了商業化可能。1991年日本索尼公司首次將鋰電池這個研發了20多年的產品推向市場。

讓電動汽車重獲新生

不過，儘管鋰電池在1991年就得以商業化，但這樣的電池，不論是功率、壽命、還是安全都達不到最高工業級別——車規級的標準。直到1993年，日本大阪煤氣公司將中間相碳微球（MCMB）碳材料作為鋰電池陽極之後，鋰離子電池的效能才獲得了較大的提升，才進入了汽車企業的視線。

日產從1992年開始研發用於聆風的鋰離子電池。從1996年起，安裝有鋰離子電池的“PRAIRIE JOY”型電動車在日本國內開始銷售。

2005年後，以人造石墨為陽極的鋰電池，以其優異的電化學效能開始在動力電池上獲得廣泛應用，電動汽車越來越成熟。2008年，奧巴馬當政，大力推動電動汽車發展，全球鋰電池發展進入新的高潮，並作為電動汽車的“心臟”，重新定義了電動汽車。

2010年12月起，日產開始在美國、日本、歐洲銷售聆風電動汽車。2012年，特斯拉也用松下18650鋰電池成功造出市場歡迎的電動汽車Model S。

隨著世界各國政府對可再生資源的重視程度的加大，在政策大力支援下，全球新能源汽車市場進入快速發展通道。

以歐洲為例，早在2015年，挪威就宣佈2025年限制燃油汽車銷售；第二年，荷蘭也宣佈2030年後實現新車零排放；英國、法國和西班牙均頒佈禁令，表示2040年後停止銷售柴油及汽油車。

幾乎所有主要車企都將汽車電動化視為當下最重要的戰略規劃：

豐田公司計劃到本世紀20年代初，將會有十多款全新的純電動汽車問世，到2030年銷售超過550萬輛電動汽車。

大眾計劃到2028年旗下各品牌電動車銷量達到2200萬輛。

寶馬集團目標到2021年在全球累計交付100萬輛電動車。

戴姆勒則計劃到2030年電動車型佔據乘用車新車銷量一半的份額。

沃爾沃預計到2025年電動汽車的銷售總量提高到100萬輛，其中中純電動汽車佔50%。

資料顯示，2014年全球新能源汽車產量34。1萬輛，到2018年，新能源汽車產量迅速增至192。4萬輛，市場佔比份額達到2。1%，同比增長72%。預計到2023年，全球新能源汽車產量將達887。5萬輛，未來5年複合年均增長率達35。8%。電動汽車已然成為汽車產業的重要組成部分。

對中國而言，電動汽車的迅猛發展提供了換道超車的好機會。

從2009年的“十城千輛”計劃開始，在政府的大力推廣和支援下，我國新能源汽車產業在十年間實現了巨大的突破。

2018年，我國新能源汽車的銷量達到了125。6萬輛，佔據了全球新能源汽車銷量的60%。比亞迪和北汽新能源成為僅次於特斯拉，全球銷量第二、第三的新能源汽車生產商。

與此同時，中國也誕生了以蔚來、威馬、小鵬等為代表的造車新勢力，在產品差異化和商業模式等方面作出創新嘗試。

產業化程序與格局

動力鋰電池作為電動汽車的“心臟”，佔據著一輛電動汽車三分之一到一半的成本，也是電動汽車的競爭核心之一。

動力電池領域受全球新能源汽車市場快速發展帶動，成為近年來拉動全球鋰離子電池市場高速增長的主要因素。

據中商產業研究院和高工產業研究院公佈的資料顯示，2018年全球鋰離子電池市場產量同比增長21。81%，達188。80GWh，過去5年年複合增長率達27。12%。高工產業研究院分析認為，未來5年動力電池仍將是鋰離子電池行業增長最快的板塊。

從全球範圍來看，鋰離子電池產業從90年代初正式誕生以來，逐漸從日本壟斷，到日韓爭霸，到現在中日韓三足鼎立。

日本的松下，韓國的三星、SK、LG，以及中國的寧德時代、比亞迪，被認為是目前全球電動汽車動力電池的龍頭企業，佔據著大多數市場份額。

在鋰電池三大強國中，唯有中國擁有豐富的鋰資源和完善的鋰電池產業鏈，以及龐大的基礎人才儲備，使中國大陸在鋰電池及其材料產業發展方面，成為全球最具吸引力的地區，並且已經成為全球最大的鋰電池材料和電池生產基地。中國的寧德時代、比亞迪在全球十大鋰電池公司中分別排名第二、第三。

隨著電池能量密度的不斷提高，車載鋰離子電池的競爭將日益激烈。動力電池的品質、成本、安全、技術升級，將是動力電池行業競爭的焦點，也將是整個新能源汽車行業競爭的關鍵。

目前，我國動力電池行業格局正處於急劇的變化之中。一方面，日韓電池企業正在加快重返中國市場的節奏，開始與中國汽車廠商頻繁接觸，不久前，吉利與LG化學宣佈成立新的合資公司，這釋放出中韓企業新的電池合作專案落地的訊號；另一方面，整車廠欲掌握在電動車行業的控制權，提高在供應鏈體系的議價能力，開始自己涉足電池製造，來完善產業鏈的佈局。

對大部分車企而言，動力電池雖然有著天然的行業壁壘，但它們並不願意放棄在產業發展過程中的主動權，更希望在轉型過程中將更多核心的動力電池技術掌握在自己手中。

比如大眾汽車集團斥資近10億歐元在歐洲建立鋰電池和固態電池生產工廠，並注資美國公司Quantum Scape，在固態電池領域獲得優勢；長城汽車也將生產動力電池的蜂巢能源獨立出去，準備將其市場化，未來將不只向長城汽車供貨。

另外，豐田汽車、通用汽車、吉利汽車、比亞迪、長城汽車、廣汽傳祺、上汽乘用車等企業，都將電池視為未來的核心競爭力，並有意覆蓋從電池研發、生產到處理以及迴圈利用的整個工藝鏈。

更廣闊的發展前景

從鋰電池本身的發展來看，隨著液態鋰電池效能正在不斷接近理論極限，以固態電池、鋰金屬電池、富鋰錳基正極、高電壓尖晶石正極等為代表的多元化新型鋰電技術的競爭正在展開。

現在比較好的發展方向，是固態鋰電池。固態電池與傳統鋰電池的區別在於用固態離子代替了電解液，其密度以及結構能讓更多帶電離子聚集在在一端，傳導更大的電流，進而提升電池容量。

全固態鋰電池具有極高的安全性，其固態電解質不可燃、無腐蝕、不揮發、不漏液，同時也克服了鋰枝晶現象，搭載全固態鋰電池的汽車的自燃機率會大大降低。

各國鋰電池領域的科學家，包括97歲的約翰·B·古迪納夫，都在向這一方向大力發展，不過固態電解質具有高的電阻，在功率密度、電導率、電池倍率、電池製備效率、成本控制方面都存在不小的問題，因此，固態鋰電池目前尚處在實驗室探索和初步商業化階段。

縱觀鋰離子電池的發展史，可以說是人類不斷突破理論極限的過程。鋰離子電池關鍵技術的誕生、發展、成熟、商業化，依靠的是科研界與產業界的共同創新，共同努力，最終幫助電動汽車在百年沉寂之後再次成為汽車工業的重要組成部分。

附：2019諾貝爾化學學獎得主簡介

約翰·B·古迪納夫（John B Goodenough）

1922年生於德國耶拿，二戰老兵，1943年獲得耶魯大學數學學士學位， 1951年和1952年在芝加哥大學獲得物理學碩士和博士學位。

他的職業生涯始於麻省理工學院的林肯實驗室，於1976年至1986年加入牛津大學擔任教授和無機化學實驗室負責人，在此期間他發明了鋰電池。離開牛津大學後，他加入美國得州大學奧斯汀分校，現任該校機械工程和材料科學教授。現為美國科學院和工程院兩院院士。

他58歲發明鈷酸鋰電池，75歲發明磷酸鐵鋰電池，90歲以後開始研究全固態電池，被譽為“鋰離子電池之父”，以97歲高齡重新整理了諾貝爾獎獲得者最高年齡紀錄。

他曾獲2001年日本國際獎（Japan Prize），2009年費米獎（Enrico Fermi Award），2011年美國國家科學獎章和2014年查爾斯·斯塔克·德拉普爾獎（Charles Stark Draper Prize）。

M·斯坦利·惠廷厄姆（M。 Stanley Whittingham）

1941年出生於英國，本科、碩士和博士均畢業於牛津大學，1968年取得博士學位。目前紐約州立大學石溪分校化學系傑出教授，紐約州立大學賓厄姆頓分校化學教授、材料研究和材料科學與工程研究所主任、紐約電池和儲能聯合會（NYBEST）董事會副主席。加入紐約州立大學之前，長期在石油公司Exxon工作，從事電池研發工作。

他是鋰電池研究先驅，最早提出鋰離子電池的概念，並採用硫化鈦作為正極材料，金屬鋰作為負極材料，製成世界上第一塊鋰離子電池。近年來，他的研究集中在新型無機氧化物材料的製備及其化學和物理性質。最近，他的課題組發現了單相反應在電池電極放電中的關鍵作用。

2015年，威廷漢因在鋰離子電池領域的開創性研究獲得科睿維安化學領域引文桂冠獎。2018年因將插層化學應用在儲能材料上的開創性貢獻，當選美國國家工程院院士。

吉野彰 （Akira Yoshino）

1948年生於日本吹田。1970年從京都大學工學部石油化學科畢業，1972年獲京都大學工學碩士學位，2005年獲日本大阪大學博士學位。他目前是旭化成株式會社名譽特別研究員、技術研究組鋰離子電池材料評價研究中心理事長、名城大學研究生院理工學研究科教授。

1983年，吉野運用鈷酸鋰開發陰極，運用聚乙炔開發陽極，在1983年製出世界第一個可充電鋰離子電池的原型。1985年克服諸多技術問題，徹底消除金屬鋰，確立了可充電含鋰鹼性鋰離子電池（LIB）的基本概念，並取得日本註冊專利。由於極高的安全性、穩定的能量輸出以及合理的價格，鋰離子電池最終於1991年由索尼首次商業化。

他曾獲得2013年全球能源獎（The Energy Globe Prize）和2014年查爾斯·斯塔克·德雷普爾獎、2018年日本國際獎和2019歐洲發明家獎。