令人矚目的2019年諾貝爾化學獎頒發給了鋰電池發展的三個重要人物：美國Texas大學奧斯丁分校JohnGoodenough教授、紐約州立大學Binghamton分校的StanWhittingham教授和日本旭化成公司的AkiraYoshino教授.從三人的貢獻看，前兩人在探索和發明鋰電池的電極材料均做出了卓越貢獻，而Yoshino的重要貢獻是發明和組裝了第一個完整的鋰電池.鋰電池的發展不僅是對獲獎人工作的褒獎，也可以說是對整個鋰電池產業對建設智能和潔凈社會巨大貢獻的肯定和贊許.本文重要對JohnGoodenough和StanWhittingham教授在電極材料及其固態電化學過程領域的貢獻進行介紹和回顧.

回顧鋰電池的發展史，電池材料在其中發揮了重要的用途，正可謂"一代材料決定一代電池".從電池材料的發現和發展來看，目前廣泛使用的各種材料都離不開固態化學，尤其是固態電化學的理論和研究方法的發展和進步.鋰電池首先得益于鋰金屬的電化學應用，可以在合適的有機溶劑體系實現鋰金屬的有效的沉積和溶解過程.鋰金屬的電化學始于1913年Lewis等的研究工作，但開發鋰金屬在電池中的應用則得益于1950-1970年代美國軍方對高比能電池技術的支持.

1958年，Harris博士在著名電化學家CharlesTobias教授的指導下，首先在其論文中證明在非水體系（水含量極低）的有機電解液體系鋰金屬可以實現可逆的沉積/溶解，而鋰金屬表面的電子絕緣/離子導電的固體電解質層（又稱SEI，SolidElectrolyteinterfaces）有關鋰金屬的穩定性和可充性至關重要.鋰電池的工作原理是基于一種新型的固態電化學反應過程，即離子的嵌入-脫出反應，這一反應的研究可以追溯到從最早的利用化學法可在石墨中嵌入HSO4-到石墨中.

但如何通過合適的電極材料設計來實現電化學的離子嵌入脫出，以便構成合適的電池體系，Whittingham教授和Goodenough教授無疑是重要的先驅者和重大貢獻者.

Whittingham教授

Whittingham教授首先采用二維層狀材料TiS2材料做為正極，LiAl合金做為負極來實現一個2V的可充鋰電池，后來發現MoS2的可充性會更好.作為這種可充式鋰金屬電池，其高比能量無疑是其中重要的亮點.

Goodenough教授

但如何進一步提高電池的工作電壓？Goodenough教授想到離子嵌脫過程的能量受制和晶體結構中金屬-硫鍵（~2Vvs.Li），假如把它們換成金屬-氧鍵，離子嵌入脫出能量將進一步提升，進而可以得到更高電壓的正極材料(~4V).因此，1980年代前幾年Goodenough教授課題組率先合成了層狀氧化物LiCoO2，證明其中的Co3+/4+的氧化還原電對反應為3.8V（vs.Li），還同時合成了尖晶石氧化物LiMn2O4.前者LiCoO2材料的鋰離子的占位及擴散均是二維的層（面）狀特點，而LiMn2O4鋰離子的占位及擴散則采用三維隧道狀的結構特點.1995年前后，其研究團隊通過采用聚陰離子基團（如XO4n-，X=P,S,Si）替換O2-陰離子基團，如PO43-替換O2-不僅可將層狀氧化物LiFeO2轉化為LiFePO4，可以利用其中的Fe3+/2+的氧化還原電對進行充放電實驗，而且也可以將LiFeO2中Fe3+/2+的氧化還原反應（~2V），通過PO43-的的誘導效應提升至（~3.4V）.

目前，這三種材料已經成為鋰電池最重要的三種正極材料，如鈷酸鋰材料由于具有最高的體積能量密度，且易加工和綜合性能好，已成為消費電子類鋰電池正極材料的首選，而磷酸鐵鋰材料由于其價格低廉、安全性好及循環壽命長，目前也成為電動客車及其儲能電池最有發展潛力的正極材料.

當然，鋰電池的發現和發展也離不開眾多科學家及其工程師的貢獻.在基礎研究領域，代表性的人物包括WalterRudorff、JeanRouxel、Y.F.Yao、J.Newman、MichelArmand和JeffDahn等.他們均提出將離子嵌入-脫出反應應用于電池體系，為固態電解質的發展以及石墨和鎳基正極材料體系均做出了杰出貢獻.

回顧Goodenough教授和Whittingham教授整個學術研究生涯，他們的學科背景均是固態物理和固態化學.他們不僅擅長從固態物理/固態化學的觀點來分析和認識鋰離子嵌入化合物的結構對其儲鋰電位和容量的影響，設計出新的嵌鋰化合物，而且善于學習和應用電化學的知識于電極材料和電化學反應過程研究中.多學科的知識背景有關他們做出開創及引領性的工作極有幫助.

盡管筆者是在上世紀90年代才開始認識這些偉大的科學家，但他們所具備深厚的科學知識、對科學真摯的熱愛以及對科學真理孜孜不倦的追求，尤其是講到具體科學問題時的投入和較真、對科學偽命題及其華而不實言論/論點的不屑及反駁，均給筆者留下了深刻的印象.他們平時工作極為努力，為人開朗謙遜，機智交流中又不失幽默，也特別愿意和年輕人交流及分享.Goodenough教授和Whittingham教授均培養了大量的博士后及博士生，其中不少人還是華人.他們及其家人對幾千年的中華文化也很感興趣，Whittingham教授還多次來華參加各種學術會議.最近幾年，Goodenough教授的重要研究精力集中到了固態電池及固態電解質的研究，而Whittingham教授則集中在多電子反應化合物的合成、結構和電化學性能研究，如LiVOPO4的化合物.他們報道，通過控制材料的合成步驟及其調控形貌，已經可以實現該化合物中2電子的可逆循環過程，但兩個電壓平臺還差距太大.

另外，隨著鋰電池研究獲得諾貝爾化學獎，其中很多基礎科學問題特別是固態電化學問題將會得到重視，相關工程技術領域的發展亦會加快.例如，最近全固態鋰電池發展備受國際矚目，但里面諸多的科學技術問題亟待系統地研究和解決：能否真正實現鋰金屬的長期穩定循環使用？能否通過電極材料結構設計實現無鋰正極化合物的長期穩定循環使用？能否通過多電子反應進一步實現正極材料的高容量？如何實現對固/固界面進行精準的化學/力學性質調控？如何在更高空間/時間維度下檢測固態電極材料中的離子/電子輸運及其耦合過程？如何將電極材料內部的固態電化學過程進行精準測量并且實現模型化？相信隨著人們對固態電極材料/電解質材料更進一步的深入研究分析，也將豐富固態電化學這一領域的快速發展!

（來源：電化學期刊）