改变我们生活的锂离子电池 | 第三讲：获得诺贝尔奖以及锂离子电池的普及史

本系列文章，我们在从事提高电池性能研究30多年的东京工业大学特命教授菅野了次先生的监修下，从什么是锂离子电池、到被称为下一代锂离子电池的全固态电池的研究状况，做一个全面介绍专题。

这里是第三讲，谈谈锂电池发明获得诺贝尔奖的事儿以及锂离子电池的普及史。

监修人：菅野了次

东京工业大学 科学技术创成研究院 特命教授（名誉教授）

菅野了次先生于1980年大阪大学研究生院理学研究科无机及物理化学专业课程结业。1985年成为理学博士。任神户大学理学部副教授后，2001年任东京工业大学研究生院综合理工学研究科教授，2016年任该大学物质理工学院教授，2018年任该大学科学技术创成研究院教授、全固态电池研究组组长，2021年任该科学技术创成研究院特命教授、全固态电池研究中心主任。

1. 锂离子电池研发还获得了诺贝尔奖

2019年诺贝尔化学奖颁予了为锂离子电池的研发做出贡献的工程师吉野彰、物理学家约翰·古迪纳夫、化学家斯坦利·惠廷厄姆三位研究人员。

锂离子电池为何会在世界上受到如此关注，甚至获得了诺贝尔奖？

可以说其原因就在于锂离子电池的实用化，不仅在电池发展史上，在人类历史上也有着重要的意义。

如果像锂离子电池这样小型轻量的二次电池没有实用化，大家所用的智能手机和电脑可能就不会像现在这么小。电动汽车充一次电能开的距离也会很短，实用化就可能遥遥无期。其他像现在不仅在航空拍摄，在高空巡视、物流运输等各个领域都看好的无人机之类的新工具可能也不会问世。

锂离子电池实现了铅蓄电池、镍镉电池和镍氢电池难以达到的小型轻量化，孕生出了甚至能改变社会机制的各种工具。诺贝尔奖颁予三位研究人员，不单是表彰他们在电池开发领域的贡献，也包含这种对人类社会发展的贡献。

其实在获得诺贝尔奖之前，锂离子电池在2014年曾获得被誉为工程学界诺贝尔奖的“查尔斯·斯塔克·德拉普尔奖”。表彰约翰·古迪纳夫、西美绪、Rachid Yazami、吉野彰为锂离子电池的普及和基本结构开发做出的贡献。

2. 锂离子电池的历史

可以说在人类历史上留下浓墨重彩的一笔的重大发明——锂离子电池是如何问世的呢？

将锂用于电池的技术是1976年由当时美国石油公司的技术人员惠廷厄姆提出的。那时的结构为正极材料使用二硫化钛，负极材料使用锂。然而二硫化钛与锂组合的电池无法作为二次电池稳定地工作。因此锂电池作为钓鱼用的浮标电池和一次性相机的闪光灯电源等不能充电的一次电池实用化。

到了1980年，研究锂电池的古迪纳夫提出了用钴酸锂作为正极材料，次年吉野提出钴酸锂正极与碳基材料负极的组合方式。

1983年古迪纳夫证实廉价的锰酸锂也能用作正极材料，其后吉野发明了正负极之间离子稳定移动的技术，奠定了锂离子电池作为二次电池实用化的基础。

到了1990年代，手机、笔记本电脑等个人设备所用的锂离子电池上市发售。最初被手机行业所用，其后广泛用于便携式音响、笔记本电脑。采用锂离子电池的原因在于因设备本体小型化，所需电压下降，原本需要5.5V现在只需3V。由此与使用三节只能输出1.25V电压的镍镉电池相比，使用一节能输出3V以上电压的锂离子电池效率更好。

继90年代信息技术相关商品的移动化之后，2006年后的ET（Environment Energy）革命推动了电动汽车需求高涨，具有适合电压高、能量密度大等汽车用二次电池性能的锂离子电池也被用于电动汽车相关用途。

就这样锂离子电池被广泛用于各种商品，随着产量的增加，成本下降，使用场景越来越广。

3. 让锂离子电池得以普及的电池寿命

锂离子电池被广泛采用的原因可以说也在于与其他的二次电池相比，寿命长这一特点。那么锂离子电池的寿命到底比其他电池长多少呢？

有几个因素决定电池的寿命。锂离子电池在放电时，其反应与其他的二次电池发生的电池反应有所不同，因此锂离子电池电极老化少。此外能反复充放电，自放电小也是延长寿命的因素。

如果用数值来表示电池寿命，使用循环次数和日历寿命。循环次数表示如果将电池从放电到极限，充电量衰减到0％的状态充满电到100％，然后完全放电到0％的状态作为一个循环，能反复充放电的次数。日历寿命表示电池在规定的充电状态下即使搁置也能使用的时间。

电池厂家、产品、工作环境和状况、维护条件等各种因素影响着这些表示电池寿命的数值，不能一概而论地归究于某一个。例如从经济产业省发布的“蓄电池战略”资料来看，铅蓄电池的循环次数为3,150次，日历寿命为17年，镍氢电池的循环次数为2,000次，日历寿命为5～7年，锂离子电池的循环次数为3,500次，日历寿命为6～10年。

由此来看，虽然铅蓄电池的寿命比锂离子电池更长，但看它装到汽车上就知道了，铅蓄电池又大又重，与锂离子电池在大小和重量上根本无法相比。

4. 发展着的锂离子电池

锂离子电池的基本构成虽然自1983年吉野发明正负极之间离子稳定移动的技术并无多大改变，但在材料和能储蓄的电量、重量上有了改进。

正极材料从采用1980年古迪纳夫提出的钴系锂，到采用锰系、镍系、铁系等材料，可见成本下降和循环寿命的变化。

至于材料之外的其他方面，为了能更多地储蓄电量，电池内尽量装入材料，装电池材料的外壳从不锈钢改为叠层以期轻量化等，各个部分都不断改良至今。

综上所述、电池在研究人员的不懈努力下，技术不断发展和成熟。

下一讲，我们将谈谈被认为最有希望成为下一代电池的“全固态电池”. 敬请期待！

审核编辑 黄宇