近期，受ScienceChinaChemistry期刊邀請，諾貝爾獎獲得者JohnB.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JohanAugustArfwedson和JnsJacobBerzelius從烏托礦的礦物樣本中提純出來，這時人類才知道它的存在。幸運的是，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JeanRouxel和德國科學(xué)家RobertSchroeder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+快速擴散，并發(fā)明了一種在300℃以上工作的鈉硫電池。與此同時，石油危機使得當(dāng)時的石油巨頭公司?？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，這極大促進了鋰離子電池這一新興儲能技術(shù)，他們招募當(dāng)時能源領(lǐng)域最重要的一些人員，這其中就包括了此次另一諾獎得主M.StanleyWhittingham先生。M.StanleyWhittingham1972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+有機電解液。同時以金屬鋰作為負極時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JohnB.Goodenough和PeterG.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)。更進一步發(fā)展，得益于1987年日本科學(xué)家AkiraYoshino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，并不會發(fā)生自身結(jié)構(gòu)的破壞，使電池壽命大大延長?；谶@項技術(shù)，AkiraYoshino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個電池單元）高昂的檢測和制造成本問題。單一提高碳基負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現(xiàn)仍然需要相關(guān)電池公司推出市場化的產(chǎn)品。可以預(yù)測在之后比較長一段時間內(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)。