锂离子电池科学家获诺贝尔奖实至名归，松山湖材料实验室创新团队后发有为
编者按：近日瑞典皇家科学院宣布2019年诺贝尔化学奖授予约翰·B·古迪纳夫（John B.Goodenough）、M·斯坦利·威廷汉（M. Stanley Whittingham）和吉野彰（Akira Yoshino），以表彰他们在锂离子电池领域的贡献。诺贝尔奖通常是鼓励基础研究的奖项，为何这次颁发给了锂离子电池这种应用性的项目？在锂离子电池研发上与产业化领域，中国处于何种位置？我们将访问松山湖材料实验室的锂离子电池科研团队，让科研团队带着我们更多地了解锂离子电池。
本期访谈嘉宾
黄学杰
报告人简介：
黄学杰，松山湖材料实验室副主任，中科院物理研究所研究员，博士生导师。
1993年荷兰Delft技术大学化工与材料系无机材料专业毕业获工学博士学位，1994-1995年在德国Kiel大学工学院做博士后研究，现为中国科学院物理研究所研究员。自1996年起任课题组长主持锂离子电池及其关键材料的研究、开发和产业化工作，曾发起设立星恒电源等企业实现了锂离子动力和储能电池及部分关键材料的产业化。目前主要研发高密度锂离子电池和全固态锂二次电池及其相关材料。
诺贝尔奖颁给锂离子电池研究者实至名归
Q：通常诺贝尔奖，奖励的都是基础科学研究，而锂离子电池是应用研究，为什么锂离子电池的研究者能获得诺贝尔化学奖？
黄学杰：
是的，锂离子电池研究者获奖确实比较特别。大约100年前，爱因斯坦光电效应理论获得诺贝尔奖，一个对应的应用是太阳能电池。但是太阳能电池本身并没有得奖，燃料电池也没得过诺贝尔奖。但锂离子电池获得诺贝尔奖这件事情，大家已经说了很多年，大家都认为能得诺奖。为什么今年的诺贝尔化学奖给了锂离子电池？为什么大家多少年都相信它会得诺奖？是因为这个电池不仅给人们的生活带来很大的变化，也将促进社会的变革。
当前，诸如手机、笔记本电脑、平板电脑都离不开锂离子电池。同时锂离子电池还应用于电动汽车行业。除此以外，锂电池的诞生及应用，也推动了能源革命。我国如今主要靠燃煤发电，造成众多环境污染问题。清洁能源发展迅猛，太阳能、风能已经可以平价上网，什么叫平价上网？就是说不补贴就可以被接受。但太阳能和风能都是间歇式能源，风大的时候风电发电多，白天的时候太阳能发电量大，但在风小的时候和夜晚，仍然需要火电来调节。但随着电池技术的发展，可以把太阳能、风能转化的多余电量储存起来，多年的发展过程中，锂离子电池因其突出的性价比优势从众多电池中脱颖而出。可以说一块小小的锂电池影响了信息、交通、电力三大行业，对促进社会变革和人们生活的影响是深远的。几十年以后有了这类电池的帮助，煤不再燃耗发电，油不再用来开车。
Q：从目前的资料看，古迪纳夫和吉野彰是在惠廷厄姆的研究基础上，在不同的领域出发，最终联手实现了锂离子电池的改进，古迪纳夫解决了阴极材料，而吉野彰解决的阳极材料。这体现了一种人类学术共同体怎样的合作精神？
黄学杰：
锂离子电池的发现可不仅仅是这三位科学家合作的结果，而是一大批科学家长期研究的结果，因为从人类考虑用金属锂作为电池材料，差不多有一百年的历史了，可充电锂电池商业化是在锂离子的概念提出来后。70年代石油危机爆发以后，美国斯坦福大学的科学家首先开始做相关的科学研究，这是很多人的贡献，三位获奖者是诺贝尔奖委员会选的杰出代表。
科学的发现从来不是突然发生的，都是一步一步走出来的，只是在合适的时间有不同的人做了不同的事情。当时在斯坦福R.A.Huggins的实验室有一批科学家在做相关研究，包括M.Armand，M. S.Whittingham，英国帝国理工的B. Steele于1972年在意大利Belgirate组织的一次讨论会提到二硫化钛作为电池正极材料。因此最早的概念，将锂离子插入到化合物中去是在上世纪70年代初就有了，又大概过了十年后，Goodenough教授在牛津做出了钴酸锂，钴酸锂之前也有科学家做了钴酸钠。总之，每一个科学工作，前期都有很多人打下基础，按牛顿的话说，就是他只是站在巨人的肩膀上，在海边捡到了最闪亮的一片贝壳。
锂离子电池的研发历程与中国研发的参与贡献
Q：在这个国际的科研与产业化共同体里面，中国的参与和贡献如何？
黄学杰：
上世纪80年代，欧美的基础知识传到日本，日本旭化成（主导研究员：吉野彰）和索尼公司（主要领导者：西美绪）的科学家和工程师据此做出原型电池并实现了锂离子电池的产业化，把电池生产出来。在长期的探索攻关中，逐个解决诸如正极材料、阴极材料、集流体材料、隔膜材料、电解液材料及何种锂盐等技术难题。上世纪90年代初，索尼首先把锂离子电池商业化。
中国在锂电池领域的研究起步稍微晚一点，在上世纪80年代的时候，中国的“863”计划所支持的是研究金属锂的固态电池，很遗憾，基于种种条件限制，该项研究目前仍在奋斗中，虽然它的指标可能会很高。
在索尼将锂离子电池商业化后，中国也开始转入锂离子电池的研究。应该说，中国在前期研发阶段，是一个跟随者。但由于中国具有庞大的市场，加上自主努力创新，目前中国已成为锂离子电池最大的生产国，规模已超过欧美、日本。这基本上体现了前几十年的趋势：欧美提供理论基础，日本把技术难题攻关了，中国将生产规模扩大了。期望未来能有所变化，中国能为人类文明做出更多创造性的贡献。
Q：索尼公司最早将古迪纳夫和吉野彰的发明推向市场，从而让锂电池产业化，从定时炸弹变成安全的电子外设能源。这个过程又涉及一个新的合作，科研与产业化的关系。您如何解读企业和学术界联合的关系，以及其合作机制？
黄学杰：
当时的机制是索尼公司主导，为了推动这个项目，索尼在全球去寻求最好的东西，包括理论、材料，以推动项目的进程，比如说钴酸锂，索尼是到英国寻求专利的授权，找到了其他材料，他们就自己组织研发的。因此技术创新，与产业化是两个不同的阶段，你可以看到，在科学家完成第一阶段的研究后，更多的是依靠企业组织工程师来往前走，将之产品化、产业化。
Q：从1991年至今，28年过去了，锂离子电池经过了多少个技术更迭的周期？能分成有多少个具标志性的阶段？
黄学杰：
应该说，锂离子电池的研究，有改变的成分，也有不变的成分，刚开始做锂离子电池的时候，没有预料到它的应用如此广泛，是应用驱使了锂离子电池的研发迅猛地发展。在1990年、1991年手机还未普及，笔记本电脑也较为少见，索尼公司生产的锂离子电池用于摄像机，后来发现在手机、平板电脑有更大的应用。电池的体系没有发生变化，但性能有大幅度的提升，同样是用钴酸锂作为正极，碳材料作为负极，同样尺寸的电池，能量密度提升了三倍。
从另一个角度看，锂离子电池的应用也拓展至电动车辆，首先采用的是锰酸锂材料，典型的是日产的聆风，卖了四五十万台了。随着材料技术的进步，商业应用拓展至公交车、物流车，那么磷酸铁锂材料就开始推动起来了，其实磷酸铁锂是这个材料是由Goodenough教授于1996年提出的。可以看到他在70多岁的时候仍然在从事创新性的工作。
今天，需要更高密度的电池，因此又提出使用三元更高压（更高的比能量，新的正极材料）正极。所以说基本上就是一代材料一代电池。
锂离子电池技术的发展趋势与中国作为
Q：当前，松山湖材料实验室的锂离子电池研究处于什么样的阶段？与中科院物理所相比，分工如何？
黄学杰：
松山湖材料实验室的使命之一是要做有实用价值的研究及产业推广，因此目前锂离子电池团队主要是开发新一代材料，推动新一代的动力电池的发展。
两者的分工是这样的，中科院物理所的研究可能离应用更远一些，比如说十年或者更长的时间，但是作为松山湖材料实验室这个团队，在近几年必须攻克这一代的锂离子材料的关键技术，并予以产业化推广，对行业产生较大的影响。
Q：目前，我们的研发在国际上处于什么样的位置？
黄学杰：
松山湖材料实验室是一个开放性的平台，锂离子电池团队可服务于多个行业，包括手机、电动汽车等行业，可与多个实验室、多个企业合作。
在中科院，锂离子电池的研究偏向于基础性研究。与中科院相比，在松山湖材料实验室该项目作为创新样板工厂的项目，主要做产品化阶段的技术攻关。
目前人们重点关注的三个方面：一方面是应用于手机电池，全球较高水平为700多个瓦时/升，我们团队的目标是要做到1000瓦时/升，满足5G时代手机的需求；另一方面，用于电动汽车的电池，我们的目标是电池供能可使汽车运行至少500公里，同时比现有的电池成本下降30%，可解决后补贴时代的电动汽车推广的困难；第三方面，关于储能，目前的电池承诺可使用10-15年，我们希望做到电池能历经上万次的充放，超长寿命能达到30年。
通信员：林涛 李颖瑜 陈翰昆
黄学杰 | 锂离子电池与能源革命