鋰電池憑什么獲得諾貝爾化學獎?多年來技術有什么進步?

新車評網   作者: XCP陳函 +關注   2019-10-14   評論 (0)

鋰電池憑什么獲得諾貝爾化學獎?多年來技術有什么進步?

北京時間10月9日下午,瑞典皇家科學院宣布將2019年的諾貝爾化學獎授予約翰·B·古迪納夫,M·斯坦利·威廷漢和吉野彰三位科學家,以表彰他們在鋰電池領域所作出的貢獻。這可以說是諾貝爾獎離汽車行業最近的一次,甚至可以說是日漸普及的電動車將這三位科學家推上了諾貝爾獎的位置。

看到這,可能有人會質疑,電動車的電池正是目前限制電動車發展的最大掣肘,現在市面上的電動車續航能力依然遠遠比不上燃油車,從iPhone流行至今,我們的手機還是每天都得充電,這么多年來鋰電池的技術好像也沒什么突破性進展,怎么就把諾貝爾化學獎給他們了呢?

習慣性遲到的諾貝爾獎

鋰電池憑什么獲得諾貝爾化學獎?多年來技術有什么進步?

站在如今這個年代,我們已經對鋰電池習以為常了,但是時間回到30年前,當我們普遍還在用著不可充電的干電池的時候,當國內罕見的大哥大還在用著鎳氫充電電池的時候,我們現在所用的大部分鋰電池技術,其實就已經被發明了。

1973年,第四次中東戰爭打響,石油輸出國組織(OPEC)宣布石油禁運,暫停出口,造成了第一次石油危機,美國、英國和日本等發達國家意識到了擺脫石油依賴的迫切需求,紛紛開始動用國家力量投入電池的研究,因為電池不僅可以代替石油成為汽車的能量來源,而且可以成為風能、太陽能等可再生能源的儲能裝置。當時,全球的化學家們普遍認為石油正在消耗殆盡,研發電池的熱情空前高漲。

鋰電池憑什么獲得諾貝爾化學獎?多年來技術有什么進步?

首先取得突破的,是當時任斯坦福大學博士后助理的M·斯坦利·威廷漢。他發現在室溫條件下可以以電化學的方式將鋰原子從一極轉到另一極,并且不會對兩極造成太大的損害。他借用化學中的嵌入概念解釋了這個使電池具有可充電能力的過程,在科學界引起了巨大的反響。隨后石油巨頭公司埃克森向他拋出了橄欖枝,為他成立了專屬的實驗室,威廷漢在實驗室中成功合成了鋰鋁合金,制造出了一種體積小、功能強的負極,并以硫化鈦作為正極材料。1977年,埃克森將威廷漢發明的電池推向了市場,這種小型電池被用在了太陽能手表上。

鋰電池憑什么獲得諾貝爾化學獎?多年來技術有什么進步?

威廷漢的發明確定了鋰電池發展的可行性,也為其他科學家指引了前進的方向。1976年,當時已經54歲的約翰·B·古迪納夫從MIT的林肯實驗室跳槽到了牛津大學化學系擔任無機化學實驗室主任,研究方向從固體物理一下變成了電池。誰也沒想到,就是這樣一位姓Goodenough(足夠好)、參加過二戰、半路出家的科學家,實現了一次又一次鋰電池技術的突破。我們現在在用的所有種類的鋰電池,幾乎都與他有關。

從轉行研究電池開始,古迪納夫就一直在尋求創造一種比威廷漢發明的電池儲能更強的電池。在經過4年的研究之后,古迪納夫研制出了鋰鈷氧化物(鈷酸鋰),代替硫化鈦作為正極時,這種電池具有更高的充放電電壓,可以儲存更多的能量。當時的古迪納夫還不知道,他所發明的這種新電池正極,將被電子產品廣泛應用,帶來了便攜式移動電話和筆記本電腦的時代,完全改變了我們的生活方式。牛津大學甚至不愿幫他為這項技術申請專利,至今他也未曾從這項發明中獲利。

古迪納夫雖然姓Goodenough,但他似乎從來沒有覺得自己在鋰電池領域取得的技術已經Goodenough。在發明了鋰鈷氧化物之后,1981年,古迪納夫又與團隊中的一個南非人薩克雷共同發明了尖晶石型錳酸鋰,這種新材料比鈷酸鋰更加便宜、安全性更好。1995年,古迪納夫在反復測試尖晶石的各種配方之后,發現鐵和磷的組合最為穩定,由此發明的磷酸鐵鋰電池能量密度比錳酸鋰電池更高,而且比鈷酸鋰電池更加安全。再后來,2000年左右,當初古迪納夫團隊中的那個南非人薩克雷又發明了NCM鎳鈷錳三元鋰電池,進一步將電池技術推向新的高度。已經97歲高齡的古迪納夫是諾貝爾獎歷史上最年長的得獎者,但是他卻從未停止過鋰電池相關的研究工作。7年前,他開始了固態電池的研究,希望能與當年發明鈷酸鋰正極一樣,再一次改變世界。

鋰電池憑什么獲得諾貝爾化學獎?多年來技術有什么進步?

雖說古迪納夫是鈷酸鋰電池技術的奠基人,但是在鈷酸鋰電池改變世界的過程中,日本科學家吉野彰的功勞可能還要更大一些。1990年,在經過10年的研究之后,時任日本旭化成公司研究員的吉野彰成功地用碳替代了鋰合金作為電池的負極,結合古迪納夫的鈷酸鋰正極,這種電池有了更好的安全性,大大減少了起火的風險。因為這種電池里不含金屬狀態的鋰,所以也被稱為鋰離子電池。根據吉野彰的研究,1991年索尼正式推出全球首款商用的鋰離子電池。隨后,索尼又將碳正極換成了石墨烯,使得電池的安全性、能量密度和循環壽命都有了提升,并且規定了18650的電池外形尺寸,沿用至今。

由此可見,假如沒有他們三人和以他們為代表的那些默默鉆研鋰電池技術的科學團隊,如今的移動互聯網時代可能都不會到來,因為手機和電腦可能要背著大大的電池,并且續航能力可能比現在還差,誰還愿意帶著它們到處跑。我們現在可能也不必再去爭論電動車是否是未來大趨勢,更沒有什么特斯拉、什么新勢力造車這些專門做電動車的企業,大家可能都去研究燃料電池汽車或天然氣汽車去了。

如今,全球鋰電池行業規模已經接近500億美元,并且正以每年10%以上的速度增長,鋰電池已經深入家家戶戶,為我們的生活提供服務。鋰電池技術獲得諾貝爾獎,約翰·B·古迪納夫,M·斯坦利·威廷漢和吉野彰三位科學家獲得諾貝爾獎,絕對是實至名歸。至于為什么到現在才給他們頒獎,除了新技術需要經過長時間驗證證明其貢獻價值,所以諾貝爾獎“習慣性遲到”的因素外,電動車普及大趨勢的推動作用也不可忽視。2020年將是世界主流車企集體發力電動車的一年,研發初衷就是為了替代石油的鋰電池,終于承擔起了最重要的歷史使命,在這個時候頒獎,無疑也是“政治正確”的體現。

動力電池技術仍處于“量變”階段


鋰電池憑什么獲得諾貝爾化學獎?多年來技術有什么進步?

當然,開頭提到的“這么多年來鋰電池技術沒有突破性進展”的說法也是成立的。我們的手機電池似乎總是不夠用,電動車依然不適合跑長途,鋰電池似乎還不能完全勝任它應該做的工作。

過去的很長一段時間,鋰電池的主要市場在消費電子領域,鈷酸鋰電池良好的性能使得企業缺乏開發和應用新電池技術的動力,在原有技術基礎上小幅提升能量密度、增大電池容量、加快充電速度已經基本能夠滿足消費者的需求了,根本不需要革命性的突破,也不會影響電子產品的銷量。沒有多少人會因為iPhone續航差而不買,為什么還要投入大量資金去大幅改進電池呢?

鋰電池憑什么獲得諾貝爾化學獎?多年來技術有什么進步?

而在汽車領域,此前很長一段時間,電動車都是作為傳統車企的備用技術路線而存在,沒有市場的需求,電池技術從發明到應用的過程進展十分緩慢。90年代發明的磷酸鐵鋰電池直到2006年才被比亞迪用到概念車F3e上,當時的電池組能量密度大概是103wh/kg,兩年后比亞迪首款插電混動車F3 DM才成為全球首款應用了磷酸鐵鋰電池的量產車。2006年發布的特斯拉Roadster用的則是技術更早的18650鈷酸鋰電池,電池組能量密度118wh/kg(電芯能量密度可達211wh/kg,但是熱管理系統過于復雜)。2010年日產聆風使用的是錳酸鋰電池,電芯能量密度為157wh/kg,電池組放棄了主動熱管理系統只用風冷,也只獲得了107wh/kg的能量密度。同年,雪佛蘭沃藍達首次用鎳鈷錳三元鋰電池,電芯能量密度為150wh/kg,電池組能量密度卻僅有94wh/kg。2012年,特斯拉第一代Model S才開始轉用技術更新的18650NCA鎳鈷鋁三元鋰電池,電芯能量密度提升至250wh/kg。

隨后全球電動車市場開始起飛,市場需求不斷擴大,比亞迪逐步將價格較低、安全性較好的磷酸鐵鋰電池發揚光大,而具備更高理論能量密度的三元鋰電池也由特斯拉一路“帶貨”,鋰電池在汽車領域才展現出了較快的發展趨勢。2016年特斯拉發布Model3時宣布換用21700NCA鎳鈷鋁三元鋰電池,電芯能量密度達到了300wh/kg,只用了短短4年,三元鋰電池的能量密度就已經接近業內預測的極限值350wh/kg。另一方面,比亞迪計劃在近兩年將磷酸鐵鋰電池的能量密度提升至160wh/kg,并且成本再降低30%。

鋰電池憑什么獲得諾貝爾化學獎?多年來技術有什么進步?

隨著電動車市場和鋰電池產業規模的不斷擴大,汽車企業終于有了快速應用新電池技術的動力,電池前沿技術的研究速度也將被加快,科學界有望重拾石油危機時期對電池的研發熱情。古迪納夫7年前就開始研究的固態電池技術,應該不用再等上二三十年就可以被批量應用了。圍繞電池的相關技術,如電池管理技術、快充技術等也正在快速發展。我們正在經歷電動車技術的“量變”,別著急,有政策和市場的雙重推動,相信“質變”將很快到來。

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