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鋰電池榮耀時刻 解讀2019諾貝爾化學獎
2019-10-16 16:00:51    來源:汽車之家  
2019年10月9日下午,瑞典皇家科學院公布了2019年諾貝爾化學獎得主,他們分別是約翰·B·古迪納夫(John B.Goodenough)、M·斯坦利·威廷漢(M.Stanley Whittingham)和吉野彰(Akira Yoshino),以表彰他們在鋰離子電池領域所做出的巨大貢獻。這三位科學家分別來自美國、英國以及日本,在他們三個的共同努力之下,成功的將鋰離子電池推向市場,促進了如今智能手機、筆記本電腦、電動汽車等行業的快速發展。


鋰離子電池的身世 第一章:威廷漢建立理論基礎

上世紀70年代,全球石油?;蟊?,按當時美國媒體的說法,石油很快就會耗竭,采用替代能源刻不容緩。風能、太陽能作為替代能源,在當時得到廣泛研究。但這種能源的產生是靠天來決定,導致生產的電能很不穩定,這是向電網供電的一大忌。所以需要一種高能量密度的儲能裝置,把風力發電機或者太陽能電池板所產生的電能儲存起來,再穩定的輸出給電網。在這樣的背景下,研發出可以反復充放電的高性能電池成為當時科學界的一大方向。


鋰金屬是元素周期表中直徑最小的金屬,在單位體積內它的密度可以做到很大,因此當它成為電池中的電極材料時,能夠帶來更高的能量密度。但由于它也是最活潑的金屬,遇到氧氣便會產生強烈的化學反應,釋放熱量,甚至爆炸,所以想要駕馭它非常難。

上世紀50年代,曾有將鋰金屬作為負極的電池出現,這種電池在相同規格下,擁有比別的電池更高的容量,只不過它并不支持充放電。當70年代爆發石油?;?,科學家們就開始研究怎樣利用鋰的特性來創造出容量高,且可反復利用的充電電池。


上世紀70年代,斯坦福大學的英國教授威廷漢(Stan Whittingham)有個重大發現。當把二硫化鈦與金屬鋰作為電極時,鋰離子可以通過電解液嵌入到層狀結構的二硫化鈦(TiS2)中,從而產生電能。且整個過程可逆,也就是可以反復充放電,這意味著金屬鋰所具備的電化學優勢終于可以在可充放電電池中展現了!


教授也是信心滿滿,在能源巨頭??松梨詮鏡鬧亟鹱手?,他的團隊迅速投入到商用可充電鋰離子電池的研發中。這個項目初期很順利,研發出來的電池充放電效果符合預期。但噩夢也很快降臨到威廷漢頭上,他怎么也沒想到,眼前的鋰離子電池從化學角度上講堪稱天衣無縫,然而卻因為一個物理學現象而存在嚴重的缺陷。


這個現象表現為,隨著電池的反復充放電,電池負極開始生成樹枝狀的金屬鋰晶體,學名為鋰枝晶。鋰枝晶會從電池負極通過電解液向正極生長,從而刺破電池內部的隔膜,使正負極短路,導致電池熱失控,所以教授的實驗室經?;岱⑸胱擁緋仄鴰鶚鹿?。并且,隨著電池的多次循環,其能夠存儲的能量也變得越來越少。面對這兩個棘手問題,最終,他研發的可充電鋰電池以失敗告終,但這一發現為后期研發出更安全的鋰離子電池奠定了理論基礎。

鋰離子電池的身世 第二章:古迪納夫找到出色的正極材料

雖然最早做出商用鋰離子電池的也并非電化學傳奇人物古迪納夫(John B. Goodenough),但如果沒有他,恐怕鋰離子電池的商用還得晚上幾年甚至幾十年。當時,古迪納夫推斷,威廷漢先生研發出來的硫化鈦正極材料存在一個缺陷,就是當充電時,鋰離子電池會從正極材料中不斷的像負極移動,導致正極材料的內部被掏空,出現層狀結構坍塌,導致對電池不可逆的破壞。如今,這個推斷已被業界證實。


他們研究發現,當鈷酸鋰(LiCoO2)以及鎳酸鋰(NiCoO2)作為電池中的正極材料時,能夠在自身層狀化學結構穩定的前提下,向負極輸送近一半的鋰離子,并生成鋰金屬(負極材料),并且整個過程可逆。這意味著古迪納夫所研制的鋰電池正極材料,只要能夠配合合適的負極材料,就能夠制造出大容量、長壽命的鋰離子充電電池。


然而,由于威廷漢之前對鋰電池的研究以失敗告終,導致??松梨詮舅鶚Р抑?,使很多美國企業都對鋰離子電池不抱有希望,以至于古迪納夫的這項研究并不被看好,甚至其所在的牛津大學都不愿意為鈷酸鋰的發現申請專利。

鋰離子電池的身世 第三章:吉野彰打造出第一塊鋰離子電池

直到后來,古迪納夫的這份研究報告,啟發了一位名叫吉野彰(Akira Yoshino)的日本化學家。吉野彰先生當時就職于日本的旭化成公司,他在這里負責研發鋰離子充電電池。他當時已經找到了十分優秀的充電電池負極材料——石墨。這種材料具有成本低、高性能、結構穩定的優勢,簡直是鈷酸鋰正極材料的絕配。


當看到古迪納夫的研究報告之后,吉野彰先生順利的利用鈷酸鋰正極材料以及石墨負極材料制造出了世界上第一塊鋰離子電池。這塊電池內部,沒有危險的金屬鋰,所有的鋰全是以離子態的方式存在,這便使得它相比以往采用鋰金屬作為負極的鋰電池更為安全,鋰離子電池也因此得名。

最終,吉野彰先生的團隊通過與索尼公司合作,在1991年發布了世界上首款搭載鋰離子電池的“大哥大”。隨后由鋰電池供電的微型攝像機以及筆記本電腦等電子產品相繼面世。由于鋰離子電池的能量密度高,所以這些電子設備在相同體積下更為耐用,因此在業界引起不小轟動。就此,鋰離子電池商業化之路的大門打開了。

至于后來的事情,相信很多人都已經見證,隨著鋰離子電池的發展,能量密度越來越高,助力手機、筆記本電腦、智能手表等個人電子設備實現小型化,大大提升了實用性。


至此,我們了解到,威廷漢先生發現了鋰離子可以通過電解液嵌入到正極材料層狀結構的現象,啟發了古迪納夫先生,并使他研究出了穩定而高效的鈷酸鋰正極材料。而吉野彰先生又利用鈷酸鋰正極材料與石墨負極相結合,為鋰離子電池的商業化帶來了曙光,并對今后人類的生活產生了深遠影響。由此看來,三個人的確都可以稱得上鋰離子電池之父,獲得諾貝爾獎也是當之無愧!

消費電子產品上的鋰離子電池與動力鋰離子電池有什么區別?

鋰離子電池自誕生以來一直在消費類電子產品中大行其道,而近幾年它在電動車領域得到極大的發展,讓無碳出行成為可能。那么二者又有什么區別呢?

一般在手機、智能手表等消費類電子設備上,通?;嵫∮孟耦芩犸庵志哂薪洗竽芰棵芏鵲娘胱擁緋?。雖然這種電池可能會帶來一定的安全風險,但由于它們體積小且與人形影不離,使用環境總體來講不那么苛刻,所以風險總體可控。


相比之下,電動車上的動力鋰電池能量密度通常沒有消費類電子產品上的電池那么高,為的就是降低安全風險。畢竟一輛電動車上的動力電池包由成百上千塊電芯組成,如果增加某一個電芯出現風險的概率,那么整體電池組出現風險的概率就會大大增加。這也是為什么電動車企會為動力電池包設計遠比數碼電子產品更為復雜的電池主/被動散熱系統,以及精密的電池控制系統。

此外,更高能量密度的鋰離子電池通常壽命更短,而消費類電子產品的生命周期大都在2年左右,要比電動車的壽命低的多。所以高能量密度電池更能夠滿足消費類電子產品的使用需求,但并不太適合電動車。

吉野彰對于電動車發展的看法


吉野彰先生曾經在接受媒體采訪的時候預測,電動汽車在2025年左右將會占據新車銷量的15%,但限制電動車發展的關鍵可能在于動力電池能否被回收。如果人類能夠從回收的動力電池中重新獲取到生產動力電池的原材料,那么這個難題便會迎刃而解,電動車行業也將得到更加長遠的發展。

◆古迪納夫是何許人也?

當看到這里,或許大家已經清楚鋰離子電池誕生的來龍去脈。不過您或許還有一個疑問,那就是在三位發明者中,有一個人最近總是被頻繁曝光。明明最終獲獎的是三個人,為什么大家卻頻頻把目光投向這一個人身上呢?那么接下來,請聽我給您詳細介紹一下這個人。


但即便年近百歲,他目前依然奮斗在鋰離子電池研發的崗位上,這是古迪納夫先生精神層面上光輝的一面。不過,他在電化學方面所做出的成就更為奪目。在電化學屆只要一提起古迪納夫先生,幾乎是無人不知、無人不曉。

在上文我們只提到他發明出了鈷酸鋰以及鎳酸鋰正極材料,并促成了鋰離子電池的商業化。不過這只是他在鋰離子電池領域貢獻的一小部分,或者說是一個開始。隨后,他繼續投身于鋰離子電池領域的研究。


最早投入使用的鈷酸鋰電池其實并不完美,它有兩個主要問題:一個是在多次充放電后,鈷酸鋰正極材料的層狀結構也會出現不可逆的塌陷,雖然只有一小部分,但已經足以讓使用者感受到電池壽命的降低,這也是為什么數碼產品的電池使用壽命普遍較短;另一個問題就是鈷金屬材料在世界的儲量很少,再加上鋰離子電池的廣泛應用,極大地抬高了這種材料的采購成本。

面對這兩個問題,古迪納夫團隊很早就開始研究鈷酸鋰的替代材料。這種材料的層狀結構要足夠穩定,使電池的使用壽命大大增強,另外它也要擁有更低的成本,那么究竟有沒有這樣的材料呢?


1997年,當古迪納夫75歲那年,他的團隊再次給了世界一個驚喜。他們研發出了一種名叫磷酸鐵鋰(LiFePO4)的正極材料,這種材料相比鈷酸鋰材料擁有更結實的晶體結構,并可以使鋰離子在內部暢快的流動。這意味著這種電池性能更好、壽命更長而且更安全。并且它的主要構成元素是我們生活中隨處可見的鐵和磷,所以生產成本要比鈷酸鋰低得多。


但磷酸鐵鋰材料的發展并不順風順水,全球多家電池企業因為爭奪這項專利而對鋪公堂。而且這種材料同樣不完美,它有一個最大的問題就是能量密度相對較低,所以目前在電動車領域對續航有較高要求的乘用車很少采用這種電池材料了,它們更多被用在了對安全性要求更高的大巴車上。但無疑,這仍然是一項對鋰電池行業發展起到推進作用的偉大發明。

憑借著研發出鈷酸鋰以及磷酸鐵鋰電池材料,鋰離子電池得以走進千家萬戶,改變了一代人的生活方式。然而,就是這么一個為人類做出了如此突出貢獻的人,在他97歲之前卻始終未獲得過一次諾貝爾獎,這讓很多人為他心有不甘,覺得世界欠古迪納夫一個諾貝爾獎。


然而,古迪納夫先生知道自己并非為榮譽而活,他更在乎的似乎還是鋰離子電池未來的發展。所以,在近幾年中,他開始研究一個新的課題,那就是解決鋰離子電池的安全問題,并繼續降低其制造成本。在他看來解決這個問題的辦法,就是通過一種名為全固態電池的新型鋰離子電池。


相信很多人都聽說過固態電池,但或許并不了解它是什么,究竟有什么用。其實固態電池相比傳統的鋰離子電池最本質的區別是,電池中的電解質從液體變成了固體。我們知道傳統的液態電解質非常危險,是鋰離子電池著火的主要元兇。當把它們換成成本更低的固態電解質后,其危險性將大大降低,我們或許將不會再為手機、電動車起火而擔憂了。

據古迪納夫先生介紹,在2015年,他的團隊就發現了一種名叫NASICON(鈉超離子導體)的固態電解質。這種材料能夠達到與液態電解質近乎一樣的性能,并可以為鋰離子電池帶來更多的電池循環次數以及更優的安全性。在先生看來,未來配備了全固態電池的電動車將有能力與由化石燃料提供動力的內燃機車展開更激烈的競爭。

尾聲:

曾經流傳一種說法,雖然鋰離子電池不是古迪納夫一個人發明的,但是他成就了鋰離子電池今天的輝煌。如今摘得諾貝爾金牌的他,97歲高齡還依然奮戰在新一代鋰離子電池研發的前沿陣地上,這樣敬業的精神值得我們欽佩,同樣也值得我們感激。
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