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      锂电池凭什么获得诺贝尔化学奖?多年来技术有什么进步?

      北半球汽车评测   作者: XCP陈函 +关注   2019-12-14   评论 (0)

      锂电池凭什么获得诺贝尔化学奖?多年来技术有什么进步?

      北京时间10月9日下午,瑞典皇家科学院宣布将2019年的诺贝尔化学奖授予约翰·B·古迪纳夫,M·斯坦利·威廷汉和吉野彰三位科学家,以表彰他们在锂电池领域所作出的贡献。这可以说是诺贝尔奖离汽车行业最近的一次,甚至可以说是日渐普及的电动车将这三位科学家推上了诺贝尔奖的位置。

      看到这,可能有人会质疑,电动车的电池正是目前限制电动车发展的最大掣肘,现在市面上的电动车续航能力依然远远比不上燃油车,从iPhone流行至今,我们的手机还是每天都得充电,这么多年来锂电池的技术好像也没什么突破性进展,怎么就把诺贝尔化学奖给他们了呢?

      习惯性迟到的诺贝尔奖

      锂电池凭什么获得诺贝尔化学奖?多年来技术有什么进步?

      站在如今这个年代,我们已经对锂电池习以为常了,但是时间回到30年前,当我们普遍还在用着不可充电的干电池的时候,当国内罕见的大哥大还在用着镍氢充电电池的时候,我们现在所用的大部分锂电池技术,其实就已经被发明了。

      1973年,第四次中东战争打响,石油输出国组织(OPEC)宣布石油禁运,暂停出口,造成了第一次石油;,美国、英国和日本等发达国家意识到了摆脱石油依赖的迫切需求,纷纷开始动用国家力量投入电池的研究,因为电池不仅可以代替石油成为汽车的能量来源,而且可以成为风能、太阳能等可再生能源的储能装置。当时,全球的化学家们普遍认为石油正在消耗殆尽,研发电池的热情空前高涨。

      锂电池凭什么获得诺贝尔化学奖?多年来技术有什么进步?

      首先取得突破的,是当时任斯坦福大学博士后助理的M·斯坦利·威廷汉。他发现在室温条件下可以以电化学的方式将锂原子从一极转到另一极,并且不会对两极造成太大的损害。他借用化学中的嵌入概念解释了这个使电池具有可充电能力的过程,在科学界引起了巨大的反响。随后石油巨头公司埃克森向他抛出了橄榄枝,为他成立了专属的实验室,威廷汉在实验室中成功合成了锂铝合金,制造出了一种体积小、功能强的负极,并以硫化钛作为正极材料。1977年,埃克森将威廷汉发明的电池推向了市场,这种小型电池被用在了太阳能手表上。

      锂电池凭什么获得诺贝尔化学奖?多年来技术有什么进步?

      威廷汉的发明确定了锂电池发展的可行性,也为其他科学家指引了前进的方向。1976年,当时已经54岁的约翰·B·古迪纳夫从MIT的林肯实验室跳槽到了牛津大学化学系担任无机化学实验室主任,研究方向从固体物理一下变成了电池。谁也没想到,就是这样一位姓Goodenough(足够好)、参加过二战、半路出家的科学家,实现了一次又一次锂电池技术的突破。我们现在在用的所有种类的锂电池,几乎都与他有关。

      从转行研究电池开始,古迪纳夫就一直在寻求创造一种比威廷汉发明的电池储能更强的电池。在经过4年的研究之后,古迪纳夫研制出了锂钴氧化物(钴酸锂),代替硫化钛作为正极时,这种电池具有更高的充放电电压,可以储存更多的能量。当时的古迪纳夫还不知道,他所发明的这种新电池正极,将被电子产品广泛应用,带来了便携式移动电话和笔记本电脑的时代,完全改变了我们的生活方式。牛津大学甚至不愿帮他为这项技术申请专利,至今他也未曾从这项发明中获利。

      古迪纳夫虽然姓Goodenough,但他似乎从来没有觉得自己在锂电池领域取得的技术已经Goodenough。在发明了锂钴氧化物之后,1981年,古迪纳夫又与团队中的一个南非人萨克雷共同发明了尖晶石型锰酸锂,这种新材料比钴酸锂更加便宜、安全性更好。1995年,古迪纳夫在反复测试尖晶石的各种配方之后,发现铁和磷的组合最为稳定,由此发明的磷酸铁锂电池能量密度比锰酸锂电池更高,而且比钴酸锂电池更加安全。再后来,2000年左右,当初古迪纳夫团队中的那个南非人萨克雷又发明了NCM镍钴锰三元锂电池,进一步将电池技术推向新的高度。已经97岁高龄的古迪纳夫是诺贝尔奖历史上最年长的得奖者,但是他却从未停止过锂电池相关的研究工作。7年前,他开始了固态电池的研究,希望能与当年发明钴酸锂正极一样,再一次改变世界。

      锂电池凭什么获得诺贝尔化学奖?多年来技术有什么进步?

      虽说古迪纳夫是钴酸锂电池技术的奠基人,但是在钴酸锂电池改变世界的过程中,日本科学家吉野彰的功劳可能还要更大一些。1990年,在经过10年的研究之后,时任日本旭化成公司研究员的吉野彰成功地用碳替代了锂合金作为电池的负极,结合古迪纳夫的钴酸锂正极,这种电池有了更好的安全性,大大减少了起火的风险。因为这种电池里不含金属状态的锂,所以也被称为锂离子电池。根据吉野彰的研究,1991年索尼正式推出全球首款商用的锂离子电池。随后,索尼又将碳正极换成了石墨烯,使得电池的安全性、能量密度和循环寿命都有了提升,并且规定了18650的电池外形尺寸,沿用至今。

      由此可见,假如没有他们三人和以他们为代表的那些默默钻研锂电池技术的科学团队,如今的移动互联网时代可能都不会到来,因为手机和电脑可能要背着大大的电池,并且续航能力可能比现在还差,谁还愿意带着它们到处跑。我们现在可能也不必再去争论电动车是否是未来大趋势,更没有什么特斯拉、什么新势力造车这些专门做电动车的企业,大家可能都去研究燃料电池汽车或天然气汽车去了。

      如今,全球锂电池行业规模已经接近500亿美元,并且正以每年10%以上的速度增长,锂电池已经深入家家户户,为我们的生活提供服务。锂电池技术获得诺贝尔奖,约翰·B·古迪纳夫,M·斯坦利·威廷汉和吉野彰三位科学家获得诺贝尔奖,绝对是实至名归。至于为什么到现在才给他们颁奖,除了新技术需要经过长时间验证证明其贡献价值,所以诺贝尔奖“习惯性迟到”的因素外,电动车普及大趋势的推动作用也不可忽视。2020年将是世界主流车企集体发力电动车的一年,研发初衷就是为了替代石油的锂电池,终于承担起了最重要的历史使命,在这个时候颁奖,无疑也是“政治正确”的体现。

      动力电池技术仍处于“量变”阶段


      锂电池凭什么获得诺贝尔化学奖?多年来技术有什么进步?

      当然,开头提到的“这么多年来锂电池技术没有突破性进展”的说法也是成立的。我们的手机电池似乎总是不够用,电动车依然不适合跑长途,锂电池似乎还不能完全胜任它应该做的工作。

      过去的很长一段时间,锂电池的主要市场在消费电子领域,钴酸锂电池良好的性能使得企业缺乏开发和应用新电池技术的动力,在原有技术基础上小幅提升能量密度、增大电池容量、加快充电速度已经基本能够满足消费者的需求了,根本不需要革命性的突破,也不会影响电子产品的销量。没有多少人会因为iPhone续航差而不买,为什么还要投入大量资金去大幅改进电池呢?

      锂电池凭什么获得诺贝尔化学奖?多年来技术有什么进步?

      而在汽车领域,此前很长一段时间,电动车都是作为传统车企的备用技术路线而存在,没有市场的需求,电池技术从发明到应用的过程进展十分缓慢。90年代发明的磷酸铁锂电池直到2006年才被比亚迪用到概念车F3e上,当时的电池组能量密度大概是103wh/kg,两年后比亚迪首款插电混动车F3 DM才成为全球首款应用了磷酸铁锂电池的量产车。2006年发布的特斯拉Roadster用的则是技术更早的18650钴酸锂电池,电池组能量密度118wh/kg(电芯能量密度可达211wh/kg,但是热管理系统过于复杂)。2010年日产聆风使用的是锰酸锂电池,电芯能量密度为157wh/kg,电池组放弃了主动热管理系统只用风冷,也只获得了107wh/kg的能量密度。同年,雪佛兰沃蓝达首次用镍钴锰三元锂电池,电芯能量密度为150wh/kg,电池组能量密度却仅有94wh/kg。2012年,特斯拉第一代Model S才开始转用技术更新的18650NCA镍钴铝三元锂电池,电芯能量密度提升至250wh/kg。

      随后全球电动车市场开始起飞,市场需求不断扩大,比亚迪逐步将价格较低、安全性较好的磷酸铁锂电池发扬光大,而具备更高理论能量密度的三元锂电池也由特斯拉一路“带货”,锂电池在汽车领域才展现出了较快的发展趋势。2016年特斯拉发布Model3时宣布换用21700NCA镍钴铝三元锂电池,电芯能量密度达到了300wh/kg,只用了短短4年,三元锂电池的能量密度就已经接近业内预测的极限值350wh/kg。另一方面,比亚迪计划在近两年将磷酸铁锂电池的能量密度提升至160wh/kg,并且成本再降低30%。

      锂电池凭什么获得诺贝尔化学奖?多年来技术有什么进步?

      随着电动车市场和锂电池产业规模的不断扩大,汽车企业终于有了快速应用新电池技术的动力,电池前沿技术的研究速度也将被加快,科学界有望重拾石油;逼诙缘绯氐难蟹⑷惹。古迪纳夫7年前就开始研究的固态电池技术,应该不用再等上二三十年就可以被批量应用了。围绕电池的相关技术,如电池管理技术、快充技术等也正在快速发展。我们正在经历电动车技术的“量变”,别着急,有政策和市场的双重推动,相信“质变”将很快到来。

      标 签 电动车   锂电池   技术