本文根據2019年10月15日由日本化學會主辦的2019年諾貝爾化學獎獲獎紀念演講「鋰離子電池開發史與未來」整理而成。
非常感謝大家的到來。接到獲得諾貝爾化學獎通知後的這一週裏，每天都像在經歷暴風驟雨。今天應該是我獲獎後的第一次演講。關於獲得諾貝爾化學獎，我想從個人立場和評論家的兩個角度來聊聊這個話題。
首先，「鋰離子電池」能獲得諾貝爾化學獎主要有兩個終極因數。第一是爲實施目前的IT社會做出了巨大貢獻，這說的是過去。第二個終極因數是考慮到未來，因爲對於解決環境和能源問題而言，鋰電池是擁有巨大可能性的具體技術之一。
今年獲得諾貝爾化學獎的爲什麼是這3個人？
吉野彰講演投影片
「以碳材料爲負極，以含鋰離子的金屬氧化物爲正極，基於電化學嵌入的非水電解液二次電池」——這是鋰離子電池的一般定義。我就針對鋰離子電池的這個定義，給大家依次介紹一下鋰電池的研究歷史。
我們先從背景開始。鋰離子電池是「非水電解液二次電池」。鋰離子電池是一種可以反復充放電的「二次電池」，使用「非水電解液」。
在開發出採用鋰的電池之前，電池一般都是乾電池或鉛酸電池等使用水溶液的產品。鋰離子電池之所以能變得如此小且輕，是因爲找到了用有機溶劑取代水的電解法。最先提出這個方法的人是哈里斯博士，他於1956年在學位論文中提出的這個方案。這篇論文發表後，哈里斯博士沒有再在電池及相關領域發表論文，不知道他後來做什麼了。不過，如果沒有非水電解這個新想法，就沒有現在的鋰離子電池。
接下來看「基於電化學嵌入」這部分。經常有人說鋰離子電池的原理是「鋰離子的脫出和進入」。這種現象也可以用「電化學嵌入」一詞來表示，這是非常重要的基礎技術。1975年首次提出該現象可用於電池的是此次獲獎三人之一的斯坦利·惠廷厄姆教授。
接下來要介紹的是「以含鋰離子的金屬氧化物爲正極」這部分。不含鋰離子的金屬氧化物無法用於鋰離子電池。在惠廷厄姆教授提出該方案5年後的1980年，全球首次發現了名爲「鈷酸鋰」的含鋰離子的正極材料，發現者爲此次獲獎的第二位得主約翰·古迪納夫博士。
正在演講的吉野彰
惠廷厄姆博士提出了電化學嵌入法，古迪納夫博士發現了正極材料。針對這種正極材料，我發現的是「利用碳材料作爲負極」的組合配套方案，並於1985年完成了鋰離子電池的原型。這就是我獲獎的理由。
當然了，在這之後還有很多其他人的功勞。比如，索尼技術人員西美緒爲實際的產品化做出了巨大貢獻。之後又有很多人進行各種改良，才形成了現在的鋰離子電池。但諾貝爾獎的共同得主最多隻能3人，因此根據我剛剛介紹的鋰電池開發史進行層層篩選後，最終選定了我們三人。
鋰離子電池工作原理（取自吉野彰的投影片）
始於聚乙炔的電池開發
我對鋰離子電池的研究始於導電聚合物「聚乙炔」，這是一種可以通電的塑膠材料。我的研究課題本來與電池沒有任何關係。由於在自己的實驗室裏合成出了聚乙炔，爲尋找材料的最佳用途，我調查了多個領域。
當時，圍繞新型二次電池的研究非常活躍，但都沒能成功實施商品化。終極因數在於負極材料。由於金屬鋰的一次電池已經實施商品化，因此業界開始對同樣用金屬鋰作爲負極的二次電池進行了大量研究，但進展得並不順利。當時的電池行業需要新的負極材料。我覺得瞄準電池負極研究聚乙炔的應用應該會很有趣，所以研究的内容逐漸變成了二次電池研究。
調查聚乙炔作爲負極使用時的特性發現可以蓄電，而且反復充放電也不容易劣化。接下來的問題就是以聚乙炔爲負極實際製作電池時，使用什麼樣的正極材料合適呢？那就是古迪納夫博士1980年發現的鈷酸鋰。這是一種全球首次發現的從一開始就含鋰離子的材料。
古迪納夫博士（左）與吉野（取自吉野彰的投影片）
於是我便開始研發，在第二年的1983年，暫時完成了以鈷酸鋰爲正極、以聚乙炔爲負極的鋰離子電池原型。但這款原型並不能滿足使用需求。
需要實施小型輕量化
開發時的實際需求是想把「體積」和「重量」都減至已有二次電池的三分之一。那麼實際使用聚乙炔製作的電池情況如何呢？重量基本達到滿分，減到了當時鎳鎘電池的三分之一左右。但是很遺憾，體積與鎳鎘電池基本相同。
因此跟多家客戶說明了這種情況，並詢問他們「如果只能在小型化和輕量化之間任選其一的話，會優先選擇哪個」。得到的回答全部是優先小型化。現在的智慧型手機也是一樣，首先必須能放進那麼狹小的空間裏才行。因此首要任務是實施小型化。
演講吸引了700多名聽衆
無法減小體積的終極因數在於，聚乙炔的真密度（物質自身的體積密度）比較小。真密度小的話，重量比較輕，但體積「太大」。問題出在物質的真密度上的話，就沒有太大的改良空間了。於是我就開始調查是否有功能與聚乙炔相同，但真密度比較大的材料。
首先當然想到了碳材料，因此把當時已經發現的所有碳材料都作爲負極材料進行了評測。但遺憾的是，當時並沒有能在找到的碳材料中發現合適的擦亮了。就是在這種情況下，發現了名爲「VGCF」的新材料。
VGCF是一種製作方法非常特殊的碳纖維，而且也是旭化成公司裏與電池開發沒有任何關係的纖維開發研究所開發的材料。由於在同一家公司，我迅速拿到樣品進行了評測，發現這種材料非常好，VGCF的特殊晶體結構可用作電池的負極材料。晶體結構明確了，接下來「順藤摸瓜」就行了。之後又陸續開發出了很多新的負極碳材料，一直到今天。
不過，至今還沒有出現性能超過VGCF的碳材料。VGCF的價格非常高，因此100％作爲負極材料使用的話，電池價格會高得離譜。在性能稍低的廉價碳材料中加入1～2％的VGCF後，性能會大幅提高，所以大家現在使用的鋰離子電池就是用這種方式來降低總成本的。
最後的課題是安全
上面介紹的都是發生在1984年以前的事。當時，業界大力研究的新型二次電池遲遲未能實施商品化的主要原因是「安全」。因此，新開發的這款二次電池能否滿足安全要求非常重要。如果能證明滿足安全要求，就可以繼續操作下一步，不滿足的話，就要立即停止研究。這是理所當然的。
1年後的1985年，我手工製作了多種電池，評測了安全。測試非常簡單，就是從電池上方扔下一個鐵球，看看會發生什麼。
首先是鋰電池。一測試，金屬鋰逸散起火。需要反復充電放電的二次電池是不能這樣的。最終鋰離子電池透過了這樣的衝擊測試，促成了之後的商品化。如果在測試中起火，鋰離子電池也就不會面世了。
就這一意義而言，我覺得鋰離子電池的誕生可能就是進行安全測試的那個瞬間。雖然後面也出現過各種各樣的問題，但總算走到了今天。
投影片中播放了測試時的影片。一次電池鋰電池（左）在測試中起火，而鋰離子電池（右）沒出現任何狀況。這一瞬間，便宣告鋰離子電池可以正式商品化了。
鋰離子電池研究與福井謙一先生和白川英樹先生頗有淵源
下面聊一聊我今天最想說的話。關於技術的歷史和研究的傳承。日本人第一次獲得諾貝爾化學獎是在1981年，獲獎者爲京都大學的福井謙一先生（已故）。而我剛好是福井先生的徒孫。
福井先生獲得諾貝爾化學獎是因爲「前線分子軌域理論」。簡單來說就是，透過計算從理論上預測化合物的特性和化學反應，而非實際做實驗。鋰離子電池的研究實際上也廣泛應用了福井先生的前線分子軌域理論。
接下來是第二位諾貝爾化學獎得主白川英樹先生（2000年）。白川先生的成就是發現了「聚乙炔」。這種材料也是利用福井先生的前線分子軌域理論預測得到的化合物。理論預測顯示，如果能開發出透過「共軛作用雙鍵」整齊地連接在一起的聚合體，那麼不但可以通電，還會散發出金屬光澤，白川先生髮現了這個實物。
演講中的吉野彰
福井先生提出非常基礎的前線分子軌域理論，取得了巨大成就，白川先生髮現了具體的化合物。雖然鋰離子電池的負極改成了碳材料，但電池基本上是透過聚乙炔的研究誕生的。我以前就想過，如果自己能獲得諾貝爾化學獎，一定要講講這些前輩的功績，今天終於如願了。
說點多餘的話，1981年福井先生獲獎，2000年白川先生獲獎，2019年我獲獎。這中間有個規律，大家看出來了吧，就是隔膜19年（相互關聯的研究每隔19年獲一次獎）。如果明白這個規律的話，未來這10年就不用太着急了。下一次獲獎是哪年大概就有數了。我覺得一定是那樣的。
下一次工業革命將發生在環境和能源領域
最後想聊一聊未來的話題。
鋰離子電池剛剛面世時完全賣不出去，但從某個時候開始突然變得暢銷起來。那個時候就是1995年，即「Windows95」面世的那一年，世界開始步入行程IT社會的關鍵時刻。
開始作爲IT設備電流源使用的鋰離子電池與IT社會一起實施了迅猛增長。「鋰離子電池相關專利申請件數走勢」在1995年至2002年間描畫出的巨大「山峯」彰顯出了IT革命的軌跡。隨着IT革命的興起，社會發生了鉅變，各種研究成果以專利申請件數的形式表現了出來。
鋰離子電池專利申請件數趨勢圖。專利申請件數清楚地描繪出了IT革命的軌跡。
問題在於之後。2003年至2006年前後申請勢頭有所減弱，但之後一直到現在，申請數量開始再次增加。這明顯是因爲IT革命之後發生了什麼。IT革命是指資訊科技的巨大變革。繼IT革命之後，現在正在發生變革的是能源（Energy）和環境（Environment）。我認爲，專利申請數量近年來的增長是因爲相應領域已經開始或者正在開發端生巨大變革。由於兩個領域都是「E」打頭，所以姑且稱其爲「ET革命」應該是最恰當的。IT革命被視爲第三次工業革命，那麼ET革命就是繼IT革命之後發生的第四次工業革命。
最近出現的AI（人工智慧）和IoT（物聯網）正屬於ET。AI、IoT、5G、共用……我認爲，隨着這些新技術獲得財源推進開發，或許能誕生解決人類目前面臨的最大課題——環境問題的關鍵技術。鋰離子電池也將用於AI、IoT和5G等，我覺得會創造出一個這樣的世界。
講演中播放的影片：ET革命帶來的未來
要想實施ET革命，當然需要研究開發和發明創造。我說下一次獲得諾貝爾獎是19年後。從2019年算起，19年後就是2038年，那個時期的諾貝爾化學獎的獲獎物件應該是爲解決環境問題做出的巨大貢獻的技術。或許還能再獲得一個諾貝爾和平獎。肯定會是這樣一個級別的巨大成就。另外，如果可能的話，衷心希望能在日本誕生出這樣的世界級超級英雄和超級巨星。
吉野 彰
日文： 腰高直樹 JST Secience Portal
中文：JST客觀日本編輯部
