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姗姗来迟的荣誉 锂电池终获诺贝尔奖

2019-10-10 16:57:05 来源: 网易汽车 举报
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网易汽车10月10日报道 锂电池获诺奖是迟早的事,只是让我们等待了太久。

姗姗来迟的荣誉 锂电池终获诺贝尔奖

2019年诺贝尔化学奖已授予John. B. Goodenough(约翰·班宁斯特·古迪纳夫)、Stanley Whittingham(斯坦利·惠廷汉姆)和吉野彰,三位科学家的获奖理由是为锂电池的发展做出了卓越贡献。

为什么要颁给这三个人?

诺奖委员会称,三位科学家创造了一个可充电的世界。

如今在我们的日常生活中,锂电池的重要性不言而喻,昨晚奖项公布的消息也让新能源汽车圈小小狂欢了一次。

John B. Goodenough,“足够好”老爷子现年97岁,其是钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂正极材料的发明人,锂离子电池的奠基人之一,被公认为锂离子电池之父。

没错,新能源汽车从业者对这三款电池正极材料应该都不陌生。此前,Goodenough还带领团队研制出了首个全固态电池。

John B. Goodenough
John B. Goodenough

Stanley Whittingham在上个世纪70年代,提出了锂离子电池的最初概念模型,其采用硫化钛作为正极材料,金属锂作为负极材料制成首个锂离子电池。

Stanley Whittingham
Stanley Whittingham

吉野彰在1985年实现了首个可商用的锂离子电池,他以Goodenough的电池正极为基础,使用石油焦炭(一种碳材料)作为电池的负极,创造了轻便耐用的锂离子电池,并能实现数百次充放电,也成为第一个进入消费领域的锂离子电池设计方案。

吉野彰
吉野彰

吉野彰发明的电池
吉野彰发明的电池

1991年,索尼公司将Goodenough和吉野彰两人研究成果为基础的锂离子电池推向市场,锂离子电池迎来商业化曙光。

如今,锂离子电池凭借能量密度高、寿命长,没有记忆效应等特点,被广泛应用到手机、消费电子设备及新能源汽车等领域。

以上只是三位获奖者贡献的简要说明,在锂离子电池商业化之前人类走过很多的弯路,甚至一度放弃过,最终凭借大量科学家和工程师们的努力,才取得今天的成果。

同时,在汽车产业向电动化方向发展的趋势下,动力电池也成为需要进一步突破的关键领域,车载动力电池依旧面临安全、能量密度等多方挑战,锂离子电池在汽车产业还有很多技术难点要攻克。

锂离子电池是如何工作的?

如今,锂离子电池的工作原理已不是什么黑科技,但这套体系的建立却花费了人类一百多年的时间。

锂离子电池主要由正极、负极、电解及隔膜组成,提升安全和电池储电能力的设计也是围绕这几个关键部件展开,当然锂电池有个缺点就是脾气暴,这点小任性即便到今天也经常困扰着我们。

姗姗来迟的荣誉 锂电池终获诺贝尔奖

简单的说,锂离子电池的充放电过程就是锂离子在正负极材料的嵌入和脱嵌并伴随着能量的吸收和释放。

姗姗来迟的荣誉 锂电池终获诺贝尔奖

当对电池进行充电时,正极生成的锂离子经过电解液运动到负极。当对电池进行放电时,嵌在负极碳层中的锂离子脱出,又运动回正极。

当前车用动力电池的正极材料有磷酸铁锂、三元锂(分为镍钴锰体系和镍钴铝体系)等,负极材料目前主流是石墨。

永远在路上 锂电池技术的跌宕起伏

电池自发明以来,其技术更迭和商业化之路的跌宕起伏远超大多数人的认知。

1799年,意大利物理学家亚历山德罗·伏特(Alessandro Volta)利用锌片和铜片及浸湿盐水的纸片制成了 “伏打电堆”,证明了电是可以人为制造出来的。

伏打电堆由多个单元堆叠而成,每个单元都有一块铜板和一块锌板,中间由一块浸有盐水的布隔开。每个单元可以产生0.76伏特,把一组组的单元堆积起来,会获得成倍的电量。

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伏特向拿破仑展示伏打电堆

但此电池放电时会产生氢气气泡,导致内部接触不良,这一问题直到40年后才被英国化学家John Frederic Daniell解决。

法国物理学家普兰特法国物理学家普兰特和他的铅酸电池

1859年,法国物理学家普兰特发明了铅酸电池,这种电池可提供12V电压,并能循环充电使用。不过,直到1873年直流发电机问世,铅酸蓄电池才逐步走向实用化。

因价格便宜、原材料易于获得,可适用于大电流放电等优点,此后这类电池被广泛使用,甚至早期电动汽车动力电池都采用此类电池。

很多人都知道,在100多年前汽车发明初期,电动汽车和内燃机汽车就曾有过一段时间的竞争。

当时,使用铅酸电池的电动汽车性能要优于使用汽油的内燃机汽车。内燃机噪音特别大,启动时还要摇动沉重的手柄,体验不好。相比之下,电动汽车则容易操作且安静。

不过最终凭借电子打火装置等一系列发明和技术改进,内燃机汽车逐渐占据优势并得到了普及。

1899年,瑞典人Waldemar Jungner发明了镍镉电池为现代电子技术打下基础。不过这类电池最大的缺点是有记忆性,如果未用完电量就充电,会发生镉中毒现象,导致电池电量缩小,因此逐渐被市场淘汰。

1950之后,加拿大工程师Lewis Urry发明了碱性电池,以镁氧化物为正极,锌为负极、氢氧化钾为电解液,这也就是我们日常生活中最常见的一次性电池。

不过,伴随上世纪多次石油危机的发生,人们意识到化石燃料的不可持续性。以电为代表的清洁可再生能源才是未来的发展方向。为此,科学家们开始尝试研发各种新型电池,锂电池就是其中之一。

1976年,在美国埃克森美孚公司任职的Stanley Whittingham(这次获奖的科学家之一)提出了锂离子电池的最初概念模型,利用二硫化钛为正极材料,金属锂为负极材料,并可以对这种电池进行充放电。

Stanley Whittingham(这次获奖的科学家之一)提出了锂离子电池的最初概念模型
Stanley Whittingham提出了锂离子电池的最初概念模型

不过,当时每公斤二硫化钛售价超过1000美元,成本上的显然不适合用来生产大众电池,而且由于负极材料中含有金属锂,活性太高,该电池非常不稳定,容易发生燃烧或爆炸情况,这个项目的商用化被迫放弃。

出现问题后,科学家们尝试采用石墨替代金属锂作为负极材料,石墨的特性可以使电子储存在碳元素之间,虽然石墨相较于金属锂活性储存电子能力差一些,但采用了石墨作为负极,可以部分解决了锂枝晶现象,防止了内部短路现象,并可将电压提高至4V,总体来说安全很多。

几年后,Goodenough研究团队在1980年找到了钴酸锂作为新型电池的正极材料。

姗姗来迟的荣誉 锂电池终获诺贝尔奖

锂离子电池大规模广泛应用前,镍氢电池是商用领域的宠儿。1989年,第一款商业镍氢电池问世,通过新的配方,镍氢电池相较于镍镉电池提高了能量密度,并且减少了污染。

姗姗来迟的荣誉 锂电池终获诺贝尔奖

更重要的一点,镍氢电池没有记忆效应,所以不必像镍镉电池一样担心使用问题。除了大量被使用于数码产品之外,还使用到丰田Prius上。

1991年,索尼公司推出了第一款商业锂离子电池,正极为锂化合物,负极为石墨,电极液为锂盐溶于有机溶剂,由于锂电池的高能量密度和配方不同能够适应不同使用环境的特点,被现在广泛使用。

至此锂离子电池的舞台正式开启,开始向更高的能量密度挑战。

75岁的Goodenough又发明出了磷酸铁锂材料,虽然磷酸铁锂能提高稳定性安全性,但其也存在能量密度缺点和低温活性低等缺点。

在90岁之时,Goodenough又做出了另一个决定,研究全固态电池技术,而全固态电池目前也被认为是车载动力电池最理想的形式。

Goodenough曾说过,电动汽车在价格上仍然不能与传统的内燃机汽车竞争。而太阳能和风能发电的储存成本太高,人类的前景不容乐观。虽然现在石油价格低廉,但其价格必然会上升,同时气候变化问题也愈演愈烈,我们必须在不久的将来从对化石燃料的依赖过渡到对清洁能源的依赖。

姗姗来迟的荣誉 锂电池终获诺贝尔奖

Goodenough是目前获诺贝尔奖时年龄最大的科学家,他至今每天都会到实验室工作。“我想在去世前解决这个问题,我才九十多岁还有时间。”

面对新能源电动汽车的发展浪潮,吉野彰也曾说过,很多人认为电动汽车当前续航路程太短,我以为锂电池的确有进步的空间,但大家要明白汽车的开发和电池的周期性特色,给它一些时间,续航里程会有改变。

王铭 本文来源:网易汽车 责任编辑:王铭_NA5955
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