近期，受Science China Chemistry期刊邀請，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者John B. Goodenough等人撰寫了關(guān)于鋰離子電池發(fā)展歷史及未來研究中面臨的挑戰(zhàn)和需要解決問題的觀點(diǎn)性文章。

一 、鋰離子電池發(fā)展史

自1800年亞歷山德羅·伏特提出他著名的“電池堆”以來，無數(shù)的科學(xué)家和工程師癡迷于電池的開發(fā)并為此投入了巨大的努力。然而，使電池具備充放電特性及穩(wěn)定存儲能量的能力卻是非常艱巨且具有挑戰(zhàn)性的。鋰——在大爆炸的最初幾分鐘內(nèi)產(chǎn)生的古老元素，直至1817年被瑞典化學(xué)家Johan August Arfwedson和Jns Jacob Berzelius從烏托礦的礦物樣本中提純出來，這時(shí)人類才知道它的存在。幸運(yùn)的是，它的出現(xiàn)為電池的發(fā)展帶來了一絲曙光，也為后來的大放異彩和霸主地位奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)于鋰離子電池正極材料的發(fā)展可以追溯到20世紀(jì)60年代，法國科學(xué)家Jean Rouxel和德國科學(xué)家Robert Schroeder探索了鋰離子在層狀硫化物中的可逆嵌入脫出反應(yīng)。1967年，美國福特公司的Kummer和Webber發(fā)現(xiàn)了尖晶石氧化鋁二維Na和O層中允許Na+快速擴(kuò)散，并發(fā)明了一種在300℃ 以上工作的鈉硫電池。與此同時(shí)，石油危機(jī)爆發(fā)使得當(dāng)時(shí)的石油巨頭公司?？松‥xxon）決定將其業(yè)務(wù)多樣化以擺脫對石油能源的依賴性，這極大促進(jìn)了鋰離子電池這一新興儲能技術(shù)，他們招募當(dāng)時(shí)能源領(lǐng)域最重要的一些人員，這其中就包括了此次另一諾獎(jiǎng)得主M. Stanley Whittingham先生。M. Stanley Whittingham1972年加入?？松荆谥皩Τ瑢?dǎo)材料的研究，他發(fā)現(xiàn)鉀離子嵌入會影響二硫化鉭的電導(dǎo)率并釋放出可觀的能量。然而用到電池中，更輕的質(zhì)量將獲得更好的性能，他使用鈦元素取代了鉭，合成了具有高能量密度的層狀TiS2正極材料，然而仍然存在工作電壓較低的劣勢。

圖1 鋰離子電池正極材料發(fā)展歷史

由于堿金屬的極端活潑性，鋰離子電解液必須為含Li+有機(jī)電解液。同時(shí)以金屬鋰作為負(fù)極時(shí)會因充電過程中形成鋰枝晶而造成電池短路等安全問題。為了解決這一問題，1980年 John B. Goodenough 和Peter G. Bruce將具有更高電壓平臺（大于4V）的層狀氧化物正極材料用于鋰離子電池正極材料并開啟了LiCoO2在鋰離子電池中的輝煌，有序的Co-O八面體結(jié)構(gòu)允許超過半數(shù)的Li+從LiCoO2中發(fā)生穩(wěn)定可逆脫嵌反應(yīng)。更進(jìn)一步發(fā)展，得益于1987年日本科學(xué)家Akira Yoshino研制出了第一款可商用鋰離子電池。他在正極使用了古迪納夫的LiCoO2氧化物，并在負(fù)極使用了一種碳基材料，該材料中也可以鋰離子可逆嵌入脫出。這款全電池在發(fā)揮功能的同時(shí)，并不會發(fā)生自身結(jié)構(gòu)的破壞，使電池壽命大大延長。基于這項(xiàng)技術(shù)，Akira Yoshino 有預(yù)見性地申請了專利，這也造就了現(xiàn)在廣泛使用的商用鋰離子二次電池。

二、鋰離子電池存在的挑戰(zhàn)及未來發(fā)展

盡管鋰離子電池得到了長足的發(fā)展，但依然還存在許多挑戰(zhàn)。包括有：（1）有機(jī)液態(tài)電解液易燃性在電化學(xué)器件中的安全隱患；（2）鋰離子電池的充電速度受到限制，快速充電會引起金屬鋰在石墨負(fù)極的不均勻沉積造成枝晶的形成和電池短路問題；（3）鋰離子電池的過度充電會導(dǎo)致正極材料氧氣的析出，引起電池的爆炸。此外，電池單元和電池組的匹配和監(jiān)測問題，大規(guī)模電池系統(tǒng)（如特斯拉7000個(gè)電池單元）高昂的檢測和制造成本問題。單一提高碳基負(fù)極材料的比表面積并不能解決主要矛盾。

為了突破這些應(yīng)用限制，需要開發(fā)新型電池材料和電池結(jié)構(gòu)。在這些新型電池中，有機(jī)液態(tài)電解液可以用氧化物固體電解質(zhì)和聚合物電解質(zhì)取代。但是，這些電池體系能否實(shí)現(xiàn)仍然需要相關(guān)電池公司推出市場化的產(chǎn)品?？梢灶A(yù)測在之后比較長一段時(shí)間內(nèi)，鋰離子電池將繼續(xù)作為無線電子設(shè)備和電動汽車的動力系統(tǒng)。