“日本鋰電池之父”終獲諾獎

豐豆

在2019年諾貝爾化學獎的三位獲獎?wù)咧校蛔u為“日本鋰電池之父”的吉野彰是日本自21世紀以來的19年中獲得諾獎的第19位科學家。得知吉野獲獎后，吉野的母校京都大學沉浸在一片祝福歡悅的氣氛中。日本首相安倍晉三于10月9日當晚致電祝賀吉野彰博士說：“在電動汽車領(lǐng)域，鋰電池的大小曾是一大障礙，先生的開發(fā)開辟了一個嶄新的世界，你是日本人的驕傲。”

好奇心和執(zhí)著造就輝煌

吉野1948年1月出生于大阪府吹田市。小學時的吉野在學校非常活躍，興趣也很廣泛，但真正喜歡上化學是在三四年級時。當時教吉野的化學老師向他推薦了一本英國科學家法拉第著的《蠟燭的科學》，他看了之后開始癡迷上化學，并且對一些化學反應(yīng)現(xiàn)象非常好奇，總想動手試驗，比如把鐵釘扔進自己家沖洗廁所的鹽酸里，觀察氫的生成過程。不過，吉野當時并沒有想到會走化學研究這條路，在一次接受采訪時他曾打趣說，如果不是接觸到《蠟燭的科學》這本啟蒙書，或許自己會成為一名足球隊員。不過吉野現(xiàn)在仍然很喜歡體育，但不是足球，而是網(wǎng)球和高爾夫。

吉野高中畢業(yè)后考入京都大學工學部，攻讀石油化學專業(yè)，此后又繼續(xù)進修工學研究科碩士課程。2005年，吉野獲得了大阪大學研究生院工學研究科博士學位。

從1972年至2017年，吉野在有名的旭化成株式會社先后擔任與鋰電池開發(fā)運營相關(guān)的事業(yè)部負責人，其間撰寫了《將碳材料變成電池負極》《鋰充電電池的開發(fā)和技術(shù)動向》等關(guān)于充電電池的多篇論文，并因成功開發(fā)出鋰充電電池而獲得了國內(nèi)國際化學類的諸多獎項。2019年6月，歐洲專利局授予吉野“歐洲發(fā)明家獎”。

吉野之所以能成功開發(fā)鋰電池，與當時的社會環(huán)境密切相關(guān)。大學期間的吉野是無論如何也想不到會取得今天如此輝煌的成就的，那時他不僅加入了學校的游泳隊，而且還參加了考古隊，對考古極其癡迷。1972年進入旭化成公司時，吉野一直在一線工作，并未從事研究。直到進入1980年代，由于手機和筆記本電腦的出現(xiàn)，體積大且容量不足的鎳鋅電池已經(jīng)無法滿足需求，對大容量且輕巧的充電電池的需求變得越來越迫切，于是專業(yè)對口的吉野才被調(diào)入旭化成公司川崎技術(shù)研究所，真正開始從事研究工作，重點就是研發(fā)新型大容量充電電池。當時，市場上已經(jīng)出現(xiàn)了以金屬鋰為負極的鋰電池，但可充電鋰電池尚未投入應(yīng)用。在這種情況下，吉野率領(lǐng)研發(fā)團隊開始攻克鋰充電電池難題。

研究初期，吉野的團隊就遇到了許多問題，比如由于金屬鋰遇水易燃燒，電池的實驗存在許多不安全因素。據(jù)吉野的一位同事回憶，一次早晨來到實驗室，發(fā)現(xiàn)原本放在實驗臺的電池不翼而飛，仔細查看才知道，電池在實驗過程中發(fā)生自燃，并且炸飛到墻上……在基礎(chǔ)研究階段，吉野只能孤軍作戰(zhàn)，忍耐著寂寞的每一個日夜，常常是以煙為伴，他說這樣才能緩解內(nèi)心的巨大壓力。在制作鋰電池原型時，吉野善于聽取同事的意見，及時糾正自己的錯誤。

為解決鋰電池自燃這一難題，吉野與同事們絞盡腦汁，不遺余力地研究對策。在使用有機溶媒成功將白川英樹（2000年諾貝爾化學獎得主）發(fā)現(xiàn)的導電聚合物作為充電電池負極，并且對電池試制品進行重鐵塊沖擊、步槍射擊等殘酷實驗后，吉野的研發(fā)團隊終于解決了電池自燃自爆的安全問題。這些環(huán)境惡劣的實驗，不知耗費了吉野多少心血！用吉野的話說，鋰電池實驗成功的概率只有百萬分之一，有如彩票中大獎，或靠一己之力渡過“惡魔之川”（指美國的密西西比河，其西岸曾經(jīng)是許多人向往并冒著九死一生的危險要去的地方）。1983年，吉野又利用美國物理學家約翰·古迪納夫發(fā)現(xiàn)的鈷酸鋰等鋰的過渡金屬氧化物，制造出鋰充電電池的原型。

之后，吉野又不斷研究，并與索尼等公司聯(lián)手，推動鋰充電電池的實用化進程。鋰電池一經(jīng)出現(xiàn)，便迅速在手機、筆記本電腦、數(shù)碼相機、攝像機和便攜式音樂播放器中廣泛使用，使鋰電池市場規(guī)模急速擴大。據(jù)稱，僅2010年鋰電池的市場規(guī)模就高達1萬億日元。如今，隨著電動汽車等逐步進入實用化階段，鋰電池作為電動汽車的蓄電裝置必將應(yīng)用于更廣闊的領(lǐng)域。

掌握鋰電池核心技術(shù)

作為“日本鋰電池之父”，吉野幾十年來付出了巨大的艱辛。他在2004年出版的《鋰電池的故事》一書中中提到了鋰電池從燒瓶、燒杯的基礎(chǔ)研究，到商業(yè)化、市場化的成長歷程。

吉野說，2004年可以說是全球IT化進程加速、手機和筆記本電腦廣泛普及的時期。而其實早在1995年Windows 95電腦操作系統(tǒng)剛一問世，鋰電池市場就開始急速擴大，不過直到 Windows 2000操作系統(tǒng)上市后，人們才開始認識到這一即將到來的全球大趨勢。那時，手機已經(jīng)廣泛普及并真正進入3G時代?！朵囯姵氐墓适隆芬粫霭?0年后，電腦操作系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到了Windows 10，電腦硬件功能和通訊速度超速發(fā)展，手機也實現(xiàn)了完全智能化。雖然鋰電池在這場IT變革當中只是配角，但從研究初期就開始涉足此領(lǐng)域的吉野卻目睹了這一IT巨變的過程，并且預見未來還將出現(xiàn)影響力超出IT變革的更大變革——那就是ET變革，即“環(huán)境與能源變革”（Environment & Energy）。

作為ET變革的先行者，汽車的電動化在2010年便初露端倪，雖然經(jīng)歷了迂回曲折，但并未停止前進的腳步。不過，僅僅單純的電動化技術(shù)無法創(chuàng)造汽車電動化的未來世界，必須與其他相關(guān)技術(shù)進行聯(lián)合。無人自動駕駛技術(shù)一旦與電動化技術(shù)相融合，很可能會引發(fā)社會的巨大變革。要想實現(xiàn)這一巨大變革，鋰電池技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。雖然目前誰也不知道ET變革將會創(chuàng)造一個怎樣的未來世界，但2019年7月吉野在宮崎日向的中央公民館演講時說，下一次變革的動力主要來自汽車制造商。到2025年，電動汽車的普及率將達到15%，再之后將達到100%。屆時，第四次產(chǎn)業(yè)革命將成為現(xiàn)實，電池也將隨著汽車的環(huán)保而發(fā)生變化。吉野預測，2025年以后，電動汽車將被賦予AI技術(shù)的無人自動駕駛汽車所替代，那時將沒有私家車，地球環(huán)境變得更好，交通事故和交通堵塞等不利于社會的因素將驟減。對于個人而言，不僅可以大幅降低生活成本（吉野預測，利用自動駕駛汽車出行的成本只有私家車成本的七分之一），而且還可以充分利用出行當中的時間。

20世紀末到21世紀初，幾乎所有新出現(xiàn)的文明機器大都由鋰電池驅(qū)動。目前，全球每年生產(chǎn)和使用的鋰電池超過10億個，已經(jīng)成為現(xiàn)代社會的基本能源，并廣泛使用于汽車和飛機中。目前普遍使用的鋰電池的原型都是由吉野開發(fā)出來的，其基本結(jié)構(gòu)和制造工藝等所有的專利均屬旭化成公司所有。特別是隔膜這一鋰離子電池核心部件，可謂鋰電池的生命線，在技術(shù)處理上尤為困難，當然利潤也相當高，而這項技術(shù)至今仍由旭化成公司牢牢掌握，占據(jù)著絕對領(lǐng)先的市場份額。這均應(yīng)歸功于吉野的研發(fā)貢獻。

將前輩理論發(fā)揚光大

吉野的成功，可以說主要受到兩個人的影響。一位是1981年諾貝爾化學獎獲得者福井謙一。作為學生，吉野常謙稱自己是福井的“孫子輩”。福井教授是吉野就讀京都大學工學部石油化學專業(yè)時的老師。雖然當時吉野并未進入福井的研究室受教，但卻深受福井“前線軌道理論”的影響。另外一位是前面提到的2000年諾貝爾化學獎獲得者白川英樹。白川教授是導電聚合物的發(fā)現(xiàn)者，而這一發(fā)現(xiàn)純屬偶然。當時，白川教授在東京工業(yè)大學研究有機半導體時使用了聚乙炔黑粉。一次，研究生錯把比正常濃度高出1000倍的催化劑加了進去，結(jié)果聚乙炔結(jié)成了具有金屬光澤的導電薄膜。吉野根據(jù)白川教授的這一發(fā)現(xiàn)，想試著將安全性非常高的導電聚合物作為電池的負極。不過，電池光有負極不行，還要有正極。正極用什么材料呢？這是吉野遇到的一個難題。有一天，吉野看到牛津大學物理學家古迪納夫和在該校留學的水島公一在美國論文雜志上發(fā)表的一篇關(guān)于鈷酸鋰作為電池正極的論文，立即覺得這一說法可行，隨即展開實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，導電聚合物與鈷酸鋰真是“天生一對”。據(jù)吉野回憶：“他（古迪納夫）的發(fā)現(xiàn)給了我所需要的一切，鈷酸鋰運行良好，能把現(xiàn)有的鎳鎘電池的重量減輕三分之一?！?/p>

但是，理論上的可行性并不能直接用于實踐，距離真正的成功，還要付出更多的艱辛。以往的鎳鎘充電電池和鉛鋅電池等因使用電解液充電放電，無法實現(xiàn)高電壓和大容量的目標。而一次性鋰電池作為在電解液中加入了有機觸媒的高性能電池，因其電極為鋰金屬而非離子，在充電放電過程中會出現(xiàn)鋰金屬變形、電池損壞甚至起火等危險。

為了解決這一系列難題，吉野開始潛心鉆研。他注意到白川英樹發(fā)現(xiàn)的導電聚合物作為負極材料很容易老化，而且難以小型化，他于是判斷，與導電聚合物的分子結(jié)構(gòu)相似的碳素材料可以替代之。經(jīng)過100多種碳素材料的試驗之后，吉野鎖定了旭化成公司正在研究的高密度且結(jié)晶很大的特殊碳素纖維，并利用這種特殊碳素纖維進行了反復試驗。最終，吉野在1985年制成了與現(xiàn)在的鋰電池結(jié)構(gòu)相同的鋰電池原型。為了改進鋰離子電池性能，吉野彰又對鋰離子電池進行了多次技術(shù)改良，例如采用鋁箔做集流體，用聚乙烯薄膜做離子隔膜，對鋰離子電池的電解質(zhì)改進，使其能夠提供更高的電壓，等等。1991年，吉野與古迪納夫合作發(fā)明的新型充電鋰電池被索尼公司推向市場，標志著鋰電池的大規(guī)模使用。吉野與古迪納夫兩人也因此結(jié)下了深厚友誼。

此后，吉野每年都會去拜訪古迪納夫?；仡櫄v史，吉野表示：“電池技術(shù)是復雜又困難的學科交叉領(lǐng)域，它的發(fā)展需要多領(lǐng)域?qū)＜业墓餐?。在我看來，鋰離子電池是集體智慧的成果?！倍?7歲高齡的古迪納夫仍然在繼續(xù)從事能源方面的研究，他希望能研發(fā)出高能量密度、高安全性的固態(tài)電池，從而解決人類潛在的能源危機。他說：“我想在去世前解決這個問題，我才九十多歲，還有時間?！?/p>

可以說，新型鋰電池是吉野在古迪納夫、水島、福井和白川等不同領(lǐng)域?qū)W者們的理論引導下研發(fā)而誕生的，是吉野與另外一位被世界公認為“鋰電池之父”的古迪納夫緊密合作的碩果。在現(xiàn)代社會，所有的一切都是由電力驅(qū)動的。因此，為了社會能夠順利運轉(zhuǎn)，電力必須長期穩(wěn)定且價格低廉，吉野腦海里已經(jīng)涌現(xiàn)出更多的未來構(gòu)想，如制造出一個云充放電系統(tǒng)，讓車用高能量密度鋰電池為全社會所共同使用。

日本學者頻獲諾獎

吉野是京都大學第11位獲得諾貝爾獎的畢業(yè)生。該校提出的“自由的學風”基本理念不僅培養(yǎng)了具有獨創(chuàng)性思維的優(yōu)秀人才，而且取得了諾獎級別的研究成果。京都大學87歲的名譽教授佐佐木昭夫指出：“京都大學自創(chuàng)立以來所孕育的自由學風，或許正成為孕育領(lǐng)先世界的獨創(chuàng)性研究的土壤。”京都大學校長山極壽一也表示：“如果本大學的自由學風能為這樣的榮譽做出一點貢獻，那將是一件非常令人高興的事情?！庇袛?shù)據(jù)顯示，2000年以后的日本諾獎獲得者的獲獎研究成果大都是在20世紀七八十年代取得的，比他們獲諾獎的時間要早二三十年；如果再往前，甚至可以追溯到戰(zhàn)前的日本發(fā)展。

日本無論是戰(zhàn)前還是戰(zhàn)后，無論是經(jīng)濟上有所寬裕時期還是戰(zhàn)后收緊腰帶的日子，都不遺余力地投入大量資金，用于人才培養(yǎng)與技術(shù)開發(fā)。隨后日本迎來經(jīng)濟高速發(fā)展時期，也正是這時，日本政府推出了“振興科學技術(shù)的綜合基本政策”，力爭將國民收入的2%用于科研。當然現(xiàn)實是日本于1970年代便達到了這個標準，至今仍然在不斷加大投入，成為名副其實的科技大國。

另一方面，日本在很早之前就意識到自身在人才培養(yǎng)方面存在的不足，比如一味強調(diào)集體意識而極易磨滅個體的個性與才華。因此，日本政府于1947年頒布了《教育基本法》，即用和平主義和民主主義教育取代以往的國家主義和軍國主義教育，在教育目的和目標上也更為人性化。