以鋰離子電池為代表的電化學(xué)儲能技術(shù)（全國有色金屬電化學(xué)與碳減排會議）是我國新時期產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級和實現(xiàn)“
碳中和”目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)，蓄電池不僅為智能手機(jī)和筆記本電腦等便攜式設(shè)備提供能源，還是特斯拉、比亞迪等新能源電動汽車的“心臟”。
人類對電的早期認(rèn)知
1600年，英國物理學(xué)家吉爾伯特（William Gilbert）在其著作《論磁石》中提出，當(dāng)摩擦琥珀時會有一種看不見的神秘物質(zhì)轉(zhuǎn)移到琥珀表面，這種物質(zhì)可以吸引羽毛等輕小物體。除了琥珀以外，他還發(fā)現(xiàn)鉆石、藍(lán)寶石和玻璃等物質(zhì)也可以摩擦帶電，他引用希臘文的琥珀“elektron”一詞將這類物質(zhì)稱為“electricia”，意思是類似琥珀的物質(zhì)。
1663年，德國物理學(xué)家居里克（Otto von Guericke）發(fā)明了第一臺靜電發(fā)生器。他將硫黃球用木質(zhì)轉(zhuǎn)軸固定在支架上，硫黃球的下方放置一對皮墊，搖動轉(zhuǎn)軸使硫黃球與皮墊摩擦后，球面能夠吸引紙張、羽毛和棉絨。居里克當(dāng)時并不清楚這種現(xiàn)象的原理，他認(rèn)為硫黃球?qū)ζ渌矬w的吸引力類似于地球的引力。英國皇家學(xué)會很快推廣了這一發(fā)明，將其用于電學(xué)實驗。1705年，長期擔(dān)任牛頓助手的英國物理學(xué)家霍克斯比（Francis Hauksbee）對居里克的機(jī)器進(jìn)行了改進(jìn)，用空心玻璃球代替硫黃球，并將垂直軸改為水平軸。霍克斯比發(fā)現(xiàn)，如果將設(shè)備放置在抽成真空的玻璃罩內(nèi)，能夠產(chǎn)生輝光，操作者根據(jù)輝光的強(qiáng)弱可以判斷靜電發(fā)生器的工作狀態(tài)。靜電發(fā)生器使人們有了穩(wěn)定產(chǎn)生并短暫保持電荷的方法。
最早將靜電學(xué)作為一門獨立學(xué)科的是英國物理學(xué)家格雷（Stephen Gray）。1720年，格雷發(fā)表了《關(guān)于一些新電學(xué)實驗的說明》，發(fā)現(xiàn)一些非剛性物體，如頭發(fā)、羽毛、絲綢等，也具有顯著的琥珀效應(yīng)。英國皇家學(xué)會因格雷的這項貢獻(xiàn)授予他學(xué)會的最高獎項——第一枚科普勒獎?wù)隆?729年，格雷和英國物理學(xué)家惠勒（Granville Wheler）發(fā)現(xiàn)一些物質(zhì)，如鐵絲或黃銅絲等可以導(dǎo)電，而另一些物質(zhì)如絲綢則不能導(dǎo)電。格雷認(rèn)為，物質(zhì)的顏色決定了其導(dǎo)電性，灰色、紅色、橙色和黃色比藍(lán)色、綠色或紫色更容易導(dǎo)電。1739年，法國科學(xué)家德札古利埃（John Theophilus Desaguliers）把物質(zhì)明確分為導(dǎo)體和絕緣體兩大類，他因這項工作獲得了英國皇家學(xué)會的科普勒獎?wù)隆?/span>
1733年，法國化學(xué)家杜菲（Charles Fran?ois de Cisternay du Fay）在研究電的相斥相吸現(xiàn)象時發(fā)現(xiàn)，存在兩種性質(zhì)不同的靜電：一種由絲綢摩擦玻璃生成，稱為“玻璃電”；另一種由羊毛摩擦琥珀生成，稱為“松脂電”。靜電力的基本特性是同性相斥、異性相吸。在18世紀(jì)的歐洲，人們普遍認(rèn)為存在一種名為“以太”的元素，在宇宙中無處不在，是傳播聲、光、力的流體介質(zhì)。導(dǎo)體的概念提出后，人們同樣認(rèn)為電是在導(dǎo)體中流動的以太，稱之為電流體。杜菲認(rèn)為，玻璃電和松脂電是兩種不同的電流體，可以通過摩擦分離，接觸后互相中和。杜菲的“雙流體理論”是人們首次從理論上來解釋電的性質(zhì)。然而，這一理論提出后不久就受到了質(zhì)疑和挑戰(zhàn)。
1747年，美國科學(xué)家和政治家、《獨立宣言》的起草者富蘭克林（Benjamin Franklin）在研究尖端放電現(xiàn)象時，提出“單流體理論”。他認(rèn)為，物質(zhì)中充斥著一種名為“電火”的元素，“電火”可以被水或金屬等物質(zhì)吸引，聚集較多的物體帶正電，反之則帶負(fù)電，“電火”可以從一個物體流向另一個物體從而形成電流。富蘭克林首次用數(shù)學(xué)上的正負(fù)概念來表示兩種電荷的性質(zhì)，還說明了電的來源及其在物質(zhì)中的存在情況。1748年，基于“單流體理論”的思想，富蘭克林提出了電荷守恒定律，即在任一絕緣體中，總電荷量不變，正電荷和負(fù)電荷的數(shù)值相等。1759年，德國科學(xué)家埃皮努斯（Franz Aepinus）發(fā)表了《電和磁的理論嘗試》，進(jìn)一步發(fā)展了“單流體理論”。富蘭克林認(rèn)為電流體是一種火狀的元素，而埃皮努斯則把電流體定義為一種滲透于所有物質(zhì)中的細(xì)小粒子，電粒子之間相互排斥，電粒子與物質(zhì)粒子之間相互吸引，富蘭克林和埃皮努斯都認(rèn)為正電荷的移動形成了電流。
關(guān)于“雙流體理論”和“單流體理論”的爭論持續(xù)了近百年。1803年，英國化學(xué)家和物理學(xué)家道爾頓（John Dalton）提出原子理論，主張物質(zhì)由原子構(gòu)成，“單流體理論”逐漸為人們接受。1897年，英國物理學(xué)家約瑟夫?湯姆森（Joseph John Thomson）在陰極射線實驗中發(fā)現(xiàn)了帶負(fù)電荷的電子，人們這才認(rèn)識到在金屬導(dǎo)體中是負(fù)電荷而非正電荷的定向運(yùn)動形成了電流。
伏打電池的誕生
隨著18世紀(jì)電學(xué)研究的盛行，人們開始尋找保存電荷的方法。萊頓瓶是一種原始的電容器，被認(rèn)為是最早的蓄電裝置。1745年，德國法學(xué)家和物理學(xué)家克萊斯特（Ewald Georg von Kleist）在裝有酒精的細(xì)頸玻璃瓶中放入一根釘子，用靜電發(fā)生器向釘子充電后，釘尖附近會出現(xiàn)電暈放電現(xiàn)象，發(fā)出微弱的光。但是，克萊斯特沒有注意到瓶體外部通過他的手和身體形成了接地，因此其他人無法復(fù)制這個實驗。1746年，荷蘭醫(yī)學(xué)家和物理學(xué)家米森布魯克（Pieter van Musschenbroek）嘗試用裝有水的玻璃瓶存儲電荷，瓶口用軟木塞密封，黃銅線的一端浸入水中，另一端穿過軟木塞連接靜電發(fā)生器。充電后，實驗者一只手握住瓶體，另一只手觸摸銅線會受到猛烈電擊。這套裝置后來以米森布魯克的家鄉(xiāng)萊頓為名，被稱為“萊頓瓶”。萊頓瓶一經(jīng)發(fā)明很快風(fēng)靡歐洲，為很多電學(xué)實驗提供電能。1748年，富蘭克林根據(jù)萊頓瓶的電容原理，設(shè)計出兩塊鉛板夾一塊玻璃板組成的平行板電容器。富蘭克林發(fā)現(xiàn)，通過增加電容器的數(shù)量可以存儲更多的電荷，他將11個電容器用金屬鏈串聯(lián)組成的電池組稱為“electric battery”。“battery”一詞出自炮兵術(shù)語，原指排炮，富蘭克林是最早用“battery”描述電池組的人。1758年，富蘭克林搭建了由35個萊頓瓶組成的電池組，可以提供近12萬伏的電壓，釋放約14焦耳的電能。由于萊頓瓶存儲的電荷只能一次性釋放而無法持續(xù)提供穩(wěn)定的電流，僅限用于科學(xué)實驗或者醫(yī)學(xué)上的電療，實用價值不大。
1786年，意大利解剖學(xué)家加爾瓦尼（Luigi Galvani）利用靜電發(fā)生器和萊頓瓶研究青蛙肌肉對電的應(yīng)激反應(yīng)時，意外地發(fā)現(xiàn)手術(shù)刀碰觸蛙腿上外露的神經(jīng)時會導(dǎo)致蛙腿劇烈抖動，同時出現(xiàn)電火花。為了驗證蛙腿本身是否帶電，他將銅鉤嵌入蛙腿神經(jīng)，然后將其掛在鐵架上，蛙腿在沒有通電的情況下抽搐。1791年，加爾瓦尼在《關(guān)于電產(chǎn)生肌肉運(yùn)動的評論》的著作中提出，人或動物體內(nèi)存在一種“神經(jīng)電流體”，這種電流體在腦中產(chǎn)生，經(jīng)過神經(jīng)傳導(dǎo)至肌肉，青蛙就像一個充了電的萊頓瓶，如果用導(dǎo)體從外部連接神經(jīng)和肌肉會發(fā)生放電，導(dǎo)致肌肉抖動。加爾瓦尼關(guān)于動物電效應(yīng)的論著發(fā)表后，意大利掀起了研究動物電的熱潮。
1792年，意大利物理學(xué)家伏打（Alessandro Volta）重復(fù)了加爾瓦尼的實驗。他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)掛鉤和支架采用同種金屬時，蛙腿沒有抽搐，而用兩種不同金屬連接而成的金屬線分別碰觸青蛙的腿和背時，青蛙發(fā)生抽搐。為了解釋這一現(xiàn)象，伏打提出“接觸電”的假說，認(rèn)為各種金屬含有不同數(shù)量的電流體，當(dāng)兩種金屬通過潮濕的導(dǎo)體形成回路時，電流體會從含量高的金屬流向含量低的金屬。1793年，伏打開始采用驗電器來測量不同材料之間的接觸電動勢，得到一組排序：鋅、錫、鉛、鐵、黃銅、青銅、鉑、金、水銀、石墨，序列中排在前面的材料與后面任何一種材料接觸時，其電位將高于后面材料的電位。例如，鋅-銀組合的電動勢為0.78伏，鋅為正電極，銀為負(fù)電極。此外，伏打還發(fā)現(xiàn)了中間金屬定理，即無論有多少種金屬串聯(lián)在一起，其總電動勢與中間金屬無關(guān)，僅取決于兩端金屬的性質(zhì)。需要指出的是，中間金屬定理對液體導(dǎo)體不成立。
1800年3月，伏打在寫給英國皇家學(xué)會會長班克斯（Joseph Banks）的信中首次闡述了“電柱”（Column）和“皇冠杯”（Cup of Crown）兩種電池的原理和構(gòu)造。電柱是由鋅板-濕盤-銀板組成的單元沿著同一方向（如鋅板在上，銀板在下）疊加而成；皇冠杯是多個盛有鹽水或堿液的木杯或陶土杯，由一端是鋅、另一端是銀的雙金屬鏈串聯(lián)而成。1800年4月，英國化學(xué)家尼科爾森（William Nicholson）和卡萊爾（Anthony Carlisle）根據(jù)伏打的說明制造了英國第一個電池，并很快用于水的電解實驗。當(dāng)時水被認(rèn)為是一種元素，伏打電池的電解實驗證實了水是氫和氧組成的化合物，在歐洲科學(xué)界引發(fā)轟動。到了1800年秋天，整個歐洲的科學(xué)家都開始建造和使用伏打電池。
伏打電池是第一款能夠持續(xù)產(chǎn)生電流的裝置，是現(xiàn)代電池的源頭。在科學(xué)領(lǐng)域，電池作為實驗儀器首次在科學(xué)研究上得到大規(guī)模應(yīng)用；在工業(yè)領(lǐng)域，直到1870年比利時電氣工程師格拉姆（Zénobe Gramme）的直流發(fā)電機(jī)問世前，全世界的電力工業(yè)都由與伏打電池相關(guān)的電池供電。伏打電池發(fā)明后不久，蓄電池技術(shù)也很快誕生。
蓄電池技術(shù)的發(fā)展
蓄電池又稱可充電電池或二次電池，是指通過可逆的電化學(xué)反應(yīng)積累和儲存能量，可以多次充電和放電的電池。根據(jù)電極材料和電解液的不同，蓄電池分為多種類型，如鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳鐵電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鈉離子電池、固態(tài)電池等。
●鉛酸電池
鉛酸電池是最早發(fā)明的蓄電池。1801年，法國化學(xué)家戈特羅（Nicolas Gautherot）發(fā)現(xiàn)用于電解鹽水實驗的鉑金線在主電池斷開后，本身會提供少量的二次電流。1859年，法國物理學(xué)家普朗忒（Gaston Planté）制造了第一個可充電的鉛酸電池，由一個過氧化鉛正極和一個鉛負(fù)極組成，兩個電極用多孔的布條隔開，浸泡在裝有稀硫酸電解液的玻璃瓶中，可以提供2伏的電壓。1860年，普朗忒在法國科學(xué)院展示了包括9個電池單元、提供18伏電壓的電池組。普朗忒的電池適用于短時間內(nèi)需要較大電流的場景，如作為火車停靠時的照明電源或電力公司的備用電源。
1881年，法國工程師富爾（Camille Alphonse Faure）發(fā)明了改進(jìn)版的鉛酸電池，他將鉛板沖壓成網(wǎng)狀的格柵，在負(fù)極涂抹海綿狀的純鉛，正極涂抹膏狀的氧化鉛，浸入稀硫酸中。網(wǎng)狀格柵增大了每個電極參與化學(xué)反應(yīng)的表面積，因此與普朗忒電池相比，富爾電池的容量顯著提升，且更易于批量生產(chǎn)。
1886年，比利時實業(yè)家圖爾多（Henri Tudor）開發(fā)了第一個商用鉛酸電池。1934年，一家德國公司用膠體電解質(zhì)代替硫酸電解液，使鉛酸電池的安全性、容量、放電性能和使用壽命得到提升。1957年，德國工程師亞赫（Otto Jache）發(fā)明了第一個膠體閥控式鉛酸（VRLA）電池，硫酸電解液與二氧化硅粉等凝膠劑混合形成糊狀，從而降低了電解質(zhì)的蒸發(fā)、溢出和腐蝕，并具有更強(qiáng)的抗沖擊和抗震動能力，常用于汽車、摩托車、電動輪椅、不間斷電源等場景。1965年，美國蓋茨橡膠公司的工程師德維特（John Devitt）和麥克萊蘭（David McClelland）發(fā)明了吸收性玻璃墊（AGM）電池，電解液以懸浮形式保持在玻璃纖維中從而避免溢出，具有使用壽命長、電容量穩(wěn)定、低溫啟動性好和酸泄漏風(fēng)險低等優(yōu)點，目前廣泛用于高檔汽車、全地形車、軍用車輛、飛行器和潛艇等場景。
●鎳基電池
鎳基電池主要包括鎳鎘電池、鎳鐵電池和鎳氫電池。1899年，瑞典發(fā)明家容納（Waldmar Jungner）發(fā)明了鎳鎘電池，這種電池以鎳為正極，鎘為負(fù)極，氫氧化鉀作為電解液，是第一種堿性蓄電池，可以提供1.2伏的電壓。1906年，容納在瑞典奧斯卡港附近建立了工廠以生產(chǎn)鎳鎘電池。由于鎳鎘電池的材料成本較高，其應(yīng)用發(fā)展緩慢。
1932年，德國工程師阿克曼（Hartmut Ackermann）和施勒希特（Sabine Schlecht）發(fā)明了通過燒結(jié)法在多孔鍍鎳電極板上沉淀活性材料的方法，提升了鎳鎘電池的負(fù)載電流，降低了電池的內(nèi)部電阻。1947年，麥克風(fēng)的發(fā)明者、德國企業(yè)家諾伊曼（Georg Neumann）發(fā)明密封鎳鎘電池，電池負(fù)極產(chǎn)生的氧氣通過電解液快速運(yùn)動到正極并發(fā)生反應(yīng)，從而抑制了氫氣的產(chǎn)生，減少了電解液的損耗。密封鎳鎘電池的重量輕、體積小，一度成為雙向無線電設(shè)備、緊急醫(yī)療設(shè)備和專業(yè)攝像機(jī)等便攜式設(shè)備的首選電源，還被用于火箭和人造衛(wèi)星。
然而，由于鎘是劇毒金屬，20世紀(jì)90年代歐洲環(huán)保主義者呼吁重視鎘的環(huán)境風(fēng)險，各國開始限制鎳鎘電池的使用。2006年，歐盟規(guī)定除醫(yī)療用途外禁止銷售鎳鎘電池。
●鎳鐵電池
1899年，容納發(fā)明了鎳鎘電池后，嘗試用不同比例的鐵代替鎘，發(fā)明了鎳鐵電池。1901年，美國發(fā)明家愛迪生（Thomas Edison）申請了鎳鐵電池的專利，并在美國新澤西州成立了愛迪生蓄電池公司以生產(chǎn)鎳鐵電池，為采礦、鐵路、電動汽車、潛艇、飛機(jī)和軍事等應(yīng)用制造鎳鐵電池。愛迪生認(rèn)為，鎳鐵電池的性能遠(yuǎn)高于當(dāng)時的鉛酸電池，于是致力于推動其作為電動汽車的首選能源。
1911—1916年，美國底特律電動汽車公司將供電系統(tǒng)從鉛酸電池改為鎳鐵電池，其續(xù)航里程達(dá)到340千米。1910—1960年，美國幾乎所有的火車都使用鎳鐵電池作為車廂照明的電源。第二次世界大戰(zhàn)中，德國的V2火箭也采用鎳鐵電池作為主要電源。鎳鐵電池具有使用壽命長（20～30年）、性能穩(wěn)定、不含鉛或鎘等有毒物質(zhì)等優(yōu)點，但成本較高，低溫性能和倍率性能較差，充電時會產(chǎn)生氫氣。
隨著內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展，鎳鐵電池逐漸退出電動汽車市場，目前僅在光伏儲能、鐵路或礦車照明等領(lǐng)域小規(guī)模應(yīng)用。2015年，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)鎳鐵電池可以作為水電解器低成本地制取氫氣，其在可再生能源領(lǐng)域的前景可期。
●鎳氫電池
鎳氫電池是鎳鎘電池和氫燃料電池技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。鎳氫電池以鎳為正極、氫氧化鉀作為電解液，儲氫合金代替鎘作為負(fù)極材料，利用儲氫合金釋放的氫氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)提供能量。與鎳鎘電池相比，鎳氫電池的能量密度高、記憶效應(yīng)小、環(huán)境風(fēng)險低。
20世紀(jì)60年代，人們發(fā)現(xiàn)某些金屬合金形成的氫化物可以存儲或釋放其體積幾百倍的氫氣。1967年，瑞士日內(nèi)瓦巴特爾研究中心在德國戴姆勒-奔馳汽車公司和大眾汽車公司的支持下開始研究儲氫材料，最初主要是鈦基合金，后來轉(zhuǎn)向鑭等稀有金屬。在早期研究中，儲氫合金在電池環(huán)境中不穩(wěn)定。
20世紀(jì)70年代，鎳氫電池被用于空間技術(shù)。從1983年開始，鎳氫電池成為地球同步軌道衛(wèi)星的主要儲能系統(tǒng)。1986年，美國發(fā)明家奧夫辛斯基（Stanford Robert Ovshinsky）申請了鎳氫電池的專利。1989年，第一個用于小型應(yīng)用場景的消費級鎳氫電池問世，此后鎳氫電池一直以紐扣、圓形或棱柱形電池的形式出現(xiàn)。1990年，美國航空航天局將鎳氫電池用于哈勃太空望遠(yuǎn)鏡。
1993年，名為“密封鎳金屬氫化物”的專利在日本發(fā)布。1998年，美國奧文尼克電池公司（Ovonic）改進(jìn)了鈦鎳合金的結(jié)構(gòu)和成分，提升了鎳氫電池的功率。2006年，歐盟出臺關(guān)于電池的規(guī)定后，鎳氫電池取代鎳鎘電池作為便攜式設(shè)備的電源。據(jù)統(tǒng)計，2008年全球有超過200萬輛混合動力汽車使用鎳氫電池，2010年日本便攜式充電電池中鎳氫電池約占22%。隨著鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展，鎳氫電池逐漸被鋰離子電池取代。
●鋰離子電池
1817年，瑞典化學(xué)家阿韋德松（Johan August Arfwedson）和現(xiàn)代化學(xué)的開創(chuàng)者之一、瑞典化學(xué)家貝爾塞柳斯（J?ns Jacob Berzelius）在分析透鋰輝石礦石時發(fā)現(xiàn)了一種新的元素，貝爾塞柳斯引用希臘語中的“l(fā)ithos”一詞，將其命名為“l(fā)ithium”，意為“石頭”。1821年，英國化學(xué)家布蘭德（William Thomas Brande）和戴維（Humphry Davy）首次用電解氧化鋰的方法分離出金屬鋰。然而，直到1912年才由美國物理化學(xué)家劉易斯（Gilbert Lewis）開啟了關(guān)于鋰的電化學(xué)性質(zhì)的研究。人們很快發(fā)現(xiàn)鋰具有物理密度低、能量密度高和電極電勢低等物理特性，非常適合用作電池的負(fù)極材料。然而，由于金屬鋰的化學(xué)性質(zhì)十分活潑，在空氣和水中極其不穩(wěn)定，鋰基電池在隨后的40多年里并未引起人們重視。
鋰作為電池材料的研究開始于20世紀(jì)50年代，最初主要是鋰原電池的研究。1962年，美國軍方的一份研究報告提出了構(gòu)建鋰的非水電解質(zhì)體系的設(shè)想，這可能是最早關(guān)于鋰電池概念的學(xué)術(shù)研究。1965年，德國化學(xué)家呂多夫（Walter Rüdorff）首次發(fā)現(xiàn)在一種層狀結(jié)構(gòu)的金屬硫化物（TiS2）中可以化學(xué)嵌入鋰離子。1972年，法國化學(xué)家阿爾芒（Michel Armand）在意大利貝爾吉拉特市（Belgirate）舉行的關(guān)于“固體中快速傳輸離子”的會議上介紹了一種源自石墨的間隙化合物，提出了插層技術(shù)的概念，插層技術(shù)是鋰離子電池的關(guān)鍵技術(shù)之一。1973年，日本松下公司研發(fā)出以氟化石墨為正極材料的金屬鋰原電池，這不僅將鋰電池第一次帶入人們的視野，還首次將插層技術(shù)引入鋰電池的設(shè)計中。1973年，美國?？怂故凸狙芯繂T惠廷厄姆（Michael Stanley Whittingham）證明了層狀結(jié)構(gòu)的金屬硫化物（TiS2）可以在層間實現(xiàn)鋰的電化學(xué)（全國有色金屬電化學(xué)與碳減排會議）可逆儲存，并以此構(gòu)建了第一個可充電鋰電池的原型，惠廷厄姆也因這項工作獲得了2019年諾貝爾化學(xué)獎。
鋰離子電池的發(fā)展離不開材料科學(xué)的進(jìn)步，首先突破的是正極材料。1980年，美國材料學(xué)家古迪納夫（John Bannister Goodenough）發(fā)現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)的鈷酸鋰（LiCoO2）作為正極材料可以提供更高的電壓，使電池容量翻倍。古迪納夫的發(fā)現(xiàn)對研發(fā)輕質(zhì)、高能量密度的鋰離子電池至關(guān)重要，他因此項工作獲得了2019年諾貝爾化學(xué)獎。1984年，古迪納夫發(fā)現(xiàn)錳酸鋰（LiMn2O4）的熱穩(wěn)定性優(yōu)于鈷酸鋰，但是存在高溫下錳溶解到電解質(zhì)中的問題。為了解決鈷酸鋰熱穩(wěn)定性差的問題，1992年法國化學(xué)家戴爾馬（Claude Delmas）提出了一種固溶體的概念，通過向鈷酸鋰中摻雜鎳、錳和非過渡金屬等元素形成固溶體，從而提高鈷酸鋰的熱穩(wěn)定性。1997年，古迪納夫發(fā)現(xiàn)磷酸鐵鋰（LiFePO4）也是良好的正極材料，其熱穩(wěn)定性優(yōu)于鈷酸鋰，但氧化還原電位小于鈷酸鋰。目前，以鎳鈷錳酸鋰三元材料或磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池在新能源汽車領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。
早期的鋰離子電池以金屬鋰作為負(fù)極材料，但金屬鋰在反復(fù)的充放電循環(huán)中容易生成樹枝狀的鋰枝晶而導(dǎo)致電池短路引發(fā)爆炸。1980年，法國科學(xué)家阿爾芒提出在鋰離子電池的正極和負(fù)極都采用可以嵌入/脫出鋰離子的層狀結(jié)構(gòu)材料，這種體系可以看成是鋰離子在充放電過程中在正負(fù)電極之間來回穿梭搖擺，他將其比喻為“搖椅”。這種結(jié)構(gòu)使鋰離子電池中不再出現(xiàn)金屬鋰，從而避免了鋰枝晶的產(chǎn)生。具有層狀結(jié)構(gòu)的石墨是目前應(yīng)用最為廣泛的嵌入型負(fù)極材料。1976年，德國化學(xué)家貝森哈德（Jürgen Otto Besenhard）和艾興格（Greg Eichinger）最早嘗試制備鋰離子插層石墨（LiC6）。然而，當(dāng)時常用的電解質(zhì)會導(dǎo)致石墨發(fā)生鋰離子共嵌入，破壞石墨結(jié)構(gòu)。1978年，阿爾芒采用聚合物電解質(zhì)解決了鋰離子共嵌入問題。1980年，摩洛哥科學(xué)家亞扎米（Rachid Yazami）首次在采用聚合物電解質(zhì)的電池中將鋰可逆地嵌入石墨，證明了石墨作為負(fù)極材料的可行性。1983年，日本旭化成化學(xué)公司科學(xué)家吉野彰（Akira Yoshino）提出以鈷酸鋰為正極、聚乙炔為負(fù)極的鋰離子電池原型。然而，這種電池存在能量密度低、化學(xué)穩(wěn)定性差等問題。1985年，吉野彰以鈷酸鋰為正極、石油焦為負(fù)極構(gòu)建出世界上第一個鋰離子電池原型，吉野彰因這項工作獲得2019年諾貝爾化學(xué)獎。1991年，日本索尼公司采用吉野彰的技術(shù)推出消費級鋰離子電池，第一款面向市場的鋰離子電池（鋰離子電池失效分析與測試技術(shù)交流會）就此誕生。
新能源電動汽車占據(jù)了鋰離子電池需求的80%，特斯拉、比亞迪等新能源汽車巨頭正在競相研發(fā)成本更低、壽命更長、能量密度更高、安全性更好的新型鋰離子電池，而圍繞著鈉離子電池、固態(tài)電池等新一代電池技術(shù)的競爭也已經(jīng)在全球范圍內(nèi)展開。
王楠，中國科協(xié)創(chuàng)新戰(zhàn)略研究院助理研究員，主要研究方向為科技戰(zhàn)略和科技政策。
王國強(qiáng)，中國科協(xié)創(chuàng)新戰(zhàn)略研究院研究員，博士，主要研究方向為科技史、科技政策和科技傳播。
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