“日本锂电池之父”终获诺奖

丰豆

在2019年诺贝尔化学奖的三位获奖者中，被誉为“日本锂电池之父”的吉野彰是日本自21世纪以来的19年中获得诺奖的第19位科学家。得知吉野获奖后，吉野的母校京都大学沉浸在一片祝福欢悦的气氛中。日本首相安倍晋三于10月9日当晚致电祝贺吉野彰博士说：“在电动汽车领域，锂电池的大小曾是一大障碍，先生的开发开辟了一个崭新的世界，你是日本人的骄傲。”

好奇心和执着造就辉煌

吉野1948年1月出生于大阪府吹田市。小学时的吉野在学校非常活跃，兴趣也很广泛，但真正喜欢上化学是在三四年级时。当时教吉野的化学老师向他推荐了一本英国科学家法拉第著的《蜡烛的科学》，他看了之后开始痴迷上化学，并且对一些化学反应现象非常好奇，总想动手试验，比如把铁钉扔进自己家冲洗厕所的盐酸里，观察氢的生成过程。不过，吉野当时并没有想到会走化学研究这条路，在一次接受采访时他曾打趣说，如果不是接触到《蜡烛的科学》这本启蒙书，或许自己会成为一名足球队员。不过吉野现在仍然很喜欢体育，但不是足球，而是网球和高尔夫。

吉野高中毕业后考入京都大学工学部，攻读石油化学专业，此后又继续进修工学研究科硕士课程。2005年，吉野获得了大阪大学研究生院工学研究科博士学位。

从1972年至2017年，吉野在有名的旭化成株式会社先后担任与锂电池开发运营相关的事业部负责人，其间撰写了《将碳材料变成电池负极》《锂充电电池的开发和技术动向》等关于充电电池的多篇论文，并因成功开发出锂充电电池而获得了国内国际化学类的诸多奖项。2019年6月，欧洲专利局授予吉野“欧洲发明家奖”。

吉野之所以能成功开发锂电池，与当时的社会环境密切相关。大学期间的吉野是无论如何也想不到会取得今天如此辉煌的成就的，那时他不仅加入了学校的游泳队，而且还参加了考古队，对考古极其痴迷。1972年进入旭化成公司时，吉野一直在一线工作，并未从事研究。直到进入1980年代，由于手机和笔记本电脑的出现，体积大且容量不足的镍锌电池已经无法满足需求，对大容量且轻巧的充电电池的需求变得越来越迫切，于是专业对口的吉野才被调入旭化成公司川崎技术研究所，真正开始从事研究工作，重点就是研发新型大容量充电电池。当时，市场上已经出现了以金属锂为负极的锂电池，但可充电锂电池尚未投入应用。在这种情况下，吉野率领研发团队开始攻克锂充电电池难题。

研究初期，吉野的团队就遇到了许多问题，比如由于金属锂遇水易燃烧，电池的实验存在许多不安全因素。据吉野的一位同事回忆，一次早晨来到实验室，发现原本放在实验台的电池不翼而飞，仔细查看才知道，电池在实验过程中发生自燃，并且炸飞到墙上……在基础研究阶段，吉野只能孤军作战，忍耐着寂寞的每一个日夜，常常是以烟为伴，他说这样才能缓解内心的巨大压力。在制作锂电池原型时，吉野善于听取同事的意见，及时纠正自己的错误。

为解决锂电池自燃这一难题，吉野与同事们绞尽脑汁，不遗余力地研究对策。在使用有机溶媒成功将白川英树（2000年诺贝尔化学奖得主）发现的导电聚合物作为充电电池负极，并且对电池试制品进行重铁块冲击、步枪射击等残酷实验后，吉野的研发团队终于解决了电池自燃自爆的安全问题。这些环境恶劣的实验，不知耗费了吉野多少心血！用吉野的话说，锂电池实验成功的概率只有百万分之一，有如彩票中大奖，或靠一己之力渡过“恶魔之川”（指美国的密西西比河，其西岸曾经是许多人向往并冒着九死一生的危险要去的地方）。1983年，吉野又利用美国物理学家約翰·古迪纳夫发现的钴酸锂等锂的过渡金属氧化物，制造出锂充电电池的原型。

之后，吉野又不断研究，并与索尼等公司联手，推动锂充电电池的实用化进程。锂电池一经出现，便迅速在手机、笔记本电脑、数码相机、摄像机和便携式音乐播放器中广泛使用，使锂电池市场规模急速扩大。据称，仅2010年锂电池的市场规模就高达1万亿日元。如今，随着电动汽车等逐步进入实用化阶段，锂电池作为电动汽车的蓄电装置必将应用于更广阔的领域。

掌握锂电池核心技术

作为“日本锂电池之父”，吉野几十年来付出了巨大的艰辛。他在2004年出版的《锂电池的故事》一书中中提到了锂电池从烧瓶、烧杯的基础研究，到商业化、市场化的成长历程。

吉野说，2004年可以说是全球IT化进程加速、手机和笔记本电脑广泛普及的时期。而其实早在1995年Windows 95电脑操作系统刚一问世，锂电池市场就开始急速扩大，不过直到 Windows 2000操作系统上市后，人们才开始认识到这一即将到来的全球大趋势。那时，手机已经广泛普及并真正进入3G时代。《锂电池的故事》一书出版10年后，电脑操作系统已经发展到了Windows 10，电脑硬件功能和通讯速度超速发展，手机也实现了完全智能化。虽然锂电池在这场IT变革当中只是配角，但从研究初期就开始涉足此领域的吉野却目睹了这一IT巨变的过程，并且预见未来还将出现影响力超出IT变革的更大变革——那就是ET变革，即“环境与能源变革”（Environment & Energy）。

作为ET变革的先行者，汽车的电动化在2010年便初露端倪，虽然经历了迂回曲折，但并未停止前进的脚步。不过，仅仅单纯的电动化技术无法创造汽车电动化的未来世界，必须与其他相关技术进行联合。无人自动驾驶技术一旦与电动化技术相融合，很可能会引发社会的巨大变革。要想实现这一巨大变革，锂电池技术起着至关重要的作用。虽然目前谁也不知道ET变革将会创造一个怎样的未来世界，但2019年7月吉野在宫崎日向的中央公民馆演讲时说，下一次变革的动力主要来自汽车制造商。到2025年，电动汽车的普及率将达到15%，再之后将达到100%。届时，第四次产业革命将成为现实，电池也将随着汽车的环保而发生变化。吉野预测，2025年以后，电动汽车将被赋予AI技术的无人自动驾驶汽车所替代，那时将没有私家车，地球环境变得更好，交通事故和交通堵塞等不利于社会的因素将骤减。对于个人而言，不仅可以大幅降低生活成本（吉野预测，利用自动驾驶汽车出行的成本只有私家车成本的七分之一），而且还可以充分利用出行当中的时间。

20世纪末到21世纪初，几乎所有新出现的文明机器大都由锂电池驱动。目前，全球每年生产和使用的锂电池超过10亿个，已经成为现代社会的基本能源，并广泛使用于汽车和飞机中。目前普遍使用的锂电池的原型都是由吉野开发出来的，其基本结构和制造工艺等所有的专利均属旭化成公司所有。特别是隔膜这一锂离子电池核心部件，可谓锂电池的生命线，在技术处理上尤为困难，当然利润也相当高，而这项技术至今仍由旭化成公司牢牢掌握，占据着绝对领先的市场份额。这均应归功于吉野的研发贡献。

将前辈理论发扬光大

吉野的成功，可以说主要受到两个人的影响。一位是1981年诺贝尔化学奖获得者福井谦一。作为学生，吉野常谦称自己是福井的“孙子辈”。福井教授是吉野就读京都大学工学部石油化学专业时的老师。虽然当时吉野并未进入福井的研究室受教，但却深受福井“前线轨道理论”的影响。另外一位是前面提到的2000年诺贝尔化学奖获得者白川英树。白川教授是导电聚合物的发现者，而这一发现纯属偶然。当时，白川教授在东京工业大学研究有机半导体时使用了聚乙炔黑粉。一次，研究生错把比正常浓度高出1000倍的催化剂加了进去，结果聚乙炔结成了具有金属光泽的导电薄膜。吉野根据白川教授的这一发现，想试着将安全性非常高的导电聚合物作为电池的负极。不过，电池光有负极不行，还要有正极。正极用什么材料呢？这是吉野遇到的一个难题。有一天，吉野看到牛津大学物理学家古迪纳夫和在该校留学的水岛公一在美国论文杂志上发表的一篇关于钴酸锂作为电池正极的论文，立即觉得这一说法可行，随即展开实验，结果发现，导电聚合物与钴酸锂真是“天生一对”。据吉野回忆：“他（古迪纳夫）的发现给了我所需要的一切，钴酸锂运行良好，能把现有的镍镉电池的重量减轻三分之一。”

但是，理论上的可行性并不能直接用于实践，距离真正的成功，还要付出更多的艰辛。以往的镍镉充电电池和铅锌电池等因使用电解液充电放电，无法实现高电压和大容量的目标。而一次性锂电池作为在电解液中加入了有机触媒的高性能电池，因其电极为锂金属而非离子，在充电放电过程中会出现锂金属变形、电池损坏甚至起火等危险。

为了解决这一系列难题，吉野开始潜心钻研。他注意到白川英树发现的导电聚合物作为负极材料很容易老化，而且难以小型化，他于是判断，与导电聚合物的分子结构相似的碳素材料可以替代之。经过100多种碳素材料的试验之后，吉野锁定了旭化成公司正在研究的高密度且结晶很大的特殊碳素纤维，并利用这种特殊碳素纤维进行了反复试验。最终，吉野在1985年制成了与现在的锂电池结构相同的锂电池原型。为了改进锂离子电池性能，吉野彰又对锂离子电池进行了多次技术改良，例如采用铝箔做集流体，用聚乙烯薄膜做离子隔膜，对锂离子电池的电解质改进，使其能够提供更高的电压，等等。1991年，吉野与古迪纳夫合作发明的新型充电锂电池被索尼公司推向市场，标志着锂电池的大规模使用。吉野与古迪纳夫两人也因此结下了深厚友谊。

此后，吉野每年都会去拜访古迪纳夫。回顾历史，吉野表示：“电池技术是复杂又困难的学科交叉领域，它的发展需要多领域专家的共同努力。在我看来，锂离子电池是集体智慧的成果。”而97岁高龄的古迪纳夫仍然在继续从事能源方面的研究，他希望能研发出高能量密度、高安全性的固态电池，从而解决人类潜在的能源危機。他说：“我想在去世前解决这个问题，我才九十多岁，还有时间。”

可以说，新型锂电池是吉野在古迪纳夫、水岛、福井和白川等不同领域学者们的理论引导下研发而诞生的，是吉野与另外一位被世界公认为“锂电池之父”的古迪纳夫紧密合作的硕果。在现代社会，所有的一切都是由电力驱动的。因此，为了社会能够顺利运转，电力必须长期稳定且价格低廉，吉野脑海里已经涌现出更多的未来构想，如制造出一个云充放电系统，让车用高能量密度锂电池为全社会所共同使用。

日本学者频获诺奖

吉野是京都大学第11位获得诺贝尔奖的毕业生。该校提出的“自由的学风”基本理念不仅培养了具有独创性思维的优秀人才，而且取得了诺奖级别的研究成果。京都大学87岁的名誉教授佐佐木昭夫指出：“京都大学自创立以来所孕育的自由学风，或许正成为孕育领先世界的独创性研究的土壤。”京都大学校长山极寿一也表示：“如果本大学的自由学风能为这样的荣誉做出一点贡献，那将是一件非常令人高兴的事情。”有数据显示，2000年以后的日本诺奖获得者的获奖研究成果大都是在20世纪七八十年代取得的，比他们获诺奖的时间要早二三十年；如果再往前，甚至可以追溯到战前的日本发展。

日本无论是战前还是战后，无论是经济上有所宽裕时期还是战后收紧腰带的日子，都不遗余力地投入大量资金，用于人才培养与技术开发。随后日本迎来经济高速发展时期，也正是这时，日本政府推出了“振兴科学技术的综合基本政策”，力争将国民收入的2%用于科研。当然现实是日本于1970年代便达到了这个标准，至今仍然在不断加大投入，成为名副其实的科技大国。

另一方面，日本在很早之前就意识到自身在人才培养方面存在的不足，比如一味强调集体意识而极易磨灭个体的个性与才华。因此，日本政府于1947年颁布了《教育基本法》，即用和平主义和民主主义教育取代以往的国家主义和军国主义教育，在教育目的和目标上也更为人性化。