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锂电池荣耀时刻 解读2019诺贝尔化学奖
2019-10-16 16:00:51    来源:汽车之家  
2019年10月9日下午,瑞典皇家科学院公布了2019年诺贝尔化学奖得主,他们分别是约翰·B·古迪纳夫(John B.Goodenough)、M·斯坦利·威廷汉(M.Stanley Whittingham)和吉野彰(Akira Yoshino),以表彰他们在锂离子电池领域所做出的巨大贡献。这三位科学家分别来自美国、英国以及日本,在他们三个的共同努力之下,成功的将锂离子电池推向市场,促进了如今智能手机、笔记本电脑、电动汽车等行业的快速发展。


锂离子电池的身世 第一章:威廷汉建立理论基础

上世纪70年代,全球石油危机大爆发,按当时美国媒体的说法,石油很快就会耗竭,采用替代能源刻不容缓。风能、太阳能作为替代能源,在当时得到广泛研究。但这种能源的产生是靠天来决定,导致生产的电能很不稳定,这是向电网供电的一大忌。所以需要一种高能量密度的储能装置,把风力发电机或者太阳能电池板所产生的电能储存起来,再稳定的输出给电网。在这样的背景下,研发出可以反复充放电的高性能电池成为当时科学界的一大方向。


锂金属是元素周期表中直径最小的金属,在单位体积内它的密度可以做到很大,因此当它成为电池中的电极材料时,能够带来更高的能量密度。但由于它也是最活泼的金属,遇到氧气便会产生强烈的化学反应,释放热量,甚至爆炸,所以想要驾驭它非常难。

上世纪50年代,曾有将锂金属作为负极的电池出现,这种电池在相同规格下,拥有比别的电池更高的容量,只不过它并不支持充放电。当70年代爆发石油危机时,科学家们就开始研究怎样利用锂的特性来创造出容量高,且可反复利用的充电电池。


上世纪70年代,斯坦福大学的英国教授威廷汉(Stan Whittingham)有个重大发现。当把二硫化钛与金属锂作为电极时,锂离子可以通过电解液嵌入到层状结构的二硫化钛(TiS2)中,从而产生电能。且整个过程可逆,也就是可以反复充放电,这意味着金属锂所具备的电化学优势终于可以在可充放电电池中展现了!


教授也是信心满满,在能源巨头埃克森美孚公司的重金资助下,他的团队迅速投入到商用可充电锂离子电池的研发中。这个项目初期很顺利,研发出来的电池充放电效果符合预期。但噩梦也很快降临到威廷汉头上,他怎么也没想到,眼前的锂离子电池从化学角度上讲堪称天衣无缝,然而却因为一个物理学现象而存在严重的缺陷。


这个现象表现为,随着电池的反复充放电,电池负极开始生成树枝状的金属锂晶体,学名为锂枝晶。锂枝晶会从电池负极通过电解液向正极生长,从而刺破电池内部的隔膜,使正负极短路,导致电池热失控,所以教授的实验室经常会发生锂离子电池起火事故。并且,随着电池的多次循环,其能够存储的能量也变得越来越少。面对这两个棘手问题,最终,他研发的可充电锂电池以失败告终,但这一发现为后期研发出更安全的锂离子电池奠定了理论基础。

锂离子电池的身世 第二章:古迪纳夫找到出色的正极材料

虽然最早做出商用锂离子电池的也并非电化学传奇人物古迪纳夫(John B. Goodenough),但如果没有他,恐怕锂离子电池的商用还得晚上几年甚至几十年。当时,古迪纳夫推断,威廷汉先生研发出来的硫化钛正极材料存在一个缺陷,就是当充电时,锂离子电池会从正极材料中不断的像负极移动,导致正极材料的内部被掏空,出现层状结构坍塌,导致对电池不可逆的破坏。如今,这个推断已被业界证实。


他们研究发现,当钴酸锂(LiCoO2)以及镍酸锂(NiCoO2)作为电池中的正极材料时,能够在自身层状化学结构稳定的前提下,向负极输送近一半的锂离子,并生成锂金属(负极材料),并且整个过程可逆。这意味着古迪纳夫所研制的锂电池正极材料,只要能够配合合适的负极材料,就能够制造出大容量、长寿命的锂离子充电电池。


然而,由于威廷汉之前对锂电池的研究以失败告终,导致埃克森美孚公司损失惨重,使很多美国企业都对锂离子电池不抱有希望,以至于古迪纳夫的这项研究并不被看好,甚至其所在的牛津大学都不愿意为钴酸锂的发现申请专利。

锂离子电池的身世 第三章:吉野彰打造出第一块锂离子电池

直到后来,古迪纳夫的这份研究报告,启发了一位名叫吉野彰(Akira Yoshino)的日本化学家。吉野彰先生当时就职于日本的旭化成公司,他在这里负责研发锂离子充电电池。他当时已经找到了十分优秀的充电电池负极材料——石墨。这种材料具有成本低、高性能、结构稳定的优势,简直是钴酸锂正极材料的绝配。


当看到古迪纳夫的研究报告之后,吉野彰先生顺利的利用钴酸锂正极材料以及石墨负极材料制造出了世界上第一块锂离子电池。这块电池内部,没有危险的金属锂,所有的锂全是以离子态的方式存在,这便使得它相比以往采用锂金属作为负极的锂电池更为安全,锂离子电池也因此得名。

最终,吉野彰先生的团队通过与索尼公司合作,在1991年发布了世界上首款搭载锂离子电池的“大哥大”。随后由锂电池供电的微型摄像机以及笔记本电脑等电子产品相继面世。由于锂离子电池的能量密度高,所以这些电子设备在相同体积下更为耐用,因此在业界引起不小轰动。就此,锂离子电池商业化之路的大门打开了。

至于后来的事情,相信很多人都已经见证,随着锂离子电池的发展,能量密度越来越高,助力手机、笔记本电脑、智能手表等个人电子设备实现小型化,大大提升了实用性。


至此,我们了解到,威廷汉先生发现了锂离子可以通过电解液嵌入到正极材料层状结构的现象,启发了古迪纳夫先生,并使他研究出了稳定而高效的钴酸锂正极材料。而吉野彰先生又利用钴酸锂正极材料与石墨负极相结合,为锂离子电池的商业化带来了曙光,并对今后人类的生活产生了深远影响。由此看来,三个人的确都可以称得上锂离子电池之父,获得诺贝尔奖也是当之无愧!

消费电子产品上的锂离子电池与动力锂离子电池有什么区别?

锂离子电池自诞生以来一直在消费类电子产品中大行其道,而近几年它在电动车领域得到极大的发展,让无碳出行成为可能。那么二者又有什么区别呢?

一般在手机、智能手表等消费类电子设备上,通常会选用像钴酸锂这种具有较大能量密度的锂离子电池。虽然这种电池可能会带来一定的安全风险,但由于它们体积小且与人形影不离,使用环境总体来讲不那么苛刻,所以风险总体可控。


相比之下,电动车上的动力锂电池能量密度通常没有消费类电子产品上的电池那么高,为的就是降低安全风险。毕竟一辆电动车上的动力电池包由成百上千块电芯组成,如果增加某一个电芯出现风险的概率,那么整体电池组出现风险的概率就会大大增加。这也是为什么电动车企会为动力电池包设计远比数码电子产品更为复杂的电池主/被动散热系统,以及精密的电池控制系统。

此外,更高能量密度的锂离子电池通常寿命更短,而消费类电子产品的生命周期大都在2年左右,要比电动车的寿命低的多。所以高能量密度电池更能够满足消费类电子产品的使用需求,但并不太适合电动车。

吉野彰对于电动车发展的看法


吉野彰先生曾经在接受媒体采访的时候预测,电动汽车在2025年左右将会占据新车销量的15%,但限制电动车发展的关键可能在于动力电池能否被回收。如果人类能够从回收的动力电池中重新获取到生产动力电池的原材料,那么这个难题便会迎刃而解,电动车行业也将得到更加长远的发展。

◆古迪纳夫是何许人也?

当看到这里,或许大家已经清楚锂离子电池诞生的来龙去脉。不过您或许还有一个疑问,那就是在三位发明者中,有一个人最近总是被频繁曝光。明明最终获奖的是三个人,为什么大家却频频把目光投向这一个人身上呢?那么接下来,请听我给您详细介绍一下这个人。


但即便年近百岁,他目前依然奋斗在锂离子电池研发的岗位上,这是古迪纳夫先生精神层面上光辉的一面。不过,他在电化学方面所做出的成就更为夺目。在电化学届只要一提起古迪纳夫先生,几乎是无人不知、无人不晓。

在上文我们只提到他发明出了钴酸锂以及镍酸锂正极材料,并促成了锂离子电池的商业化。不过这只是他在锂离子电池领域贡献的一小部分,或者说是一个开始。随后,他继续投身于锂离子电池领域的研究。


最早投入使用的钴酸锂电池其实并不完美,它有两个主要问题:一个是在多次充放电后,钴酸锂正极材料的层状结构也会出现不可逆的塌陷,虽然只有一小部分,但已经足以让使用者感受到电池寿命的降低,这也是为什么数码产品的电池使用寿命普遍较短;另一个问题就是钴金属材料在世界的储量很少,再加上锂离子电池的广泛应用,极大地抬高了这种材料的采购成本。

面对这两个问题,古迪纳夫团队很早就开始研究钴酸锂的替代材料。这种材料的层状结构要足够稳定,使电池的使用寿命大大增强,另外它也要拥有更低的成本,那么究竟有没有这样的材料呢?


1997年,当古迪纳夫75岁那年,他的团队再次给了世界一个惊喜。他们研发出了一种名叫磷酸铁锂(LiFePO4)的正极材料,这种材料相比钴酸锂材料拥有更结实的晶体结构,并可以使锂离子在内部畅快的流动。这意味着这种电池性能更好、寿命更长而且更安全。并且它的主要构成元素是我们生活中随处可见的铁和磷,所以生产成本要比钴酸锂低得多。


但磷酸铁锂材料的发展并不顺风顺水,全球多家电池企业因为争夺这项专利而对铺公堂。而且这种材料同样不完美,它有一个最大的问题就是能量密度相对较低,所以目前在电动车领域对续航有较高要求的乘用车很少采用这种电池材料了,它们更多被用在了对安全性要求更高的大巴车上。但无疑,这仍然是一项对锂电池行业发展起到推进作用的伟大发明。

凭借着研发出钴酸锂以及磷酸铁锂电池材料,锂离子电池得以走进千家万户,改变了一代人的生活方式。然而,就是这么一个为人类做出了如此突出贡献的人,在他97岁之前却始终未获得过一次诺贝尔奖,这让很多人为他心有不甘,觉得世界欠古迪纳夫一个诺贝尔奖。


然而,古迪纳夫先生知道自己并非为荣誉而活,他更在乎的似乎还是锂离子电池未来的发展。所以,在近几年中,他开始研究一个新的课题,那就是解决锂离子电池的安全问题,并继续降低其制造成本。在他看来解决这个问题的办法,就是通过一种名为全固态电池的新型锂离子电池。


相信很多人都听说过固态电池,但或许并不了解它是什么,究竟有什么用。其实固态电池相比传统的锂离子电池最本质的区别是,电池中的电解质从液体变成了固体。我们知道传统的液态电解质非常危险,是锂离子电池着火的主要元凶。当把它们换成成本更低的固态电解质后,其危险性将大大降低,我们或许将不会再为手机、电动车起火而担忧了。

据古迪纳夫先生介绍,在2015年,他的团队就发现了一种名叫NASICON(钠超离子导体)的固态电解质。这种材料能够达到与液态电解质近乎一样的性能,并可以为锂离子电池带来更多的电池循环次数以及更优的安全性。在先生看来,未来配备了全固态电池的电动车将有能力与由化石燃料提供动力的内燃机车展开更激烈的竞争。

尾声:

曾经流传一种说法,虽然锂离子电池不是古迪纳夫一个人发明的,但是他成就了锂离子电池今天的辉煌。如今摘得诺贝尔金牌的他,97岁高龄还依然奋战在新一代锂离子电池研发的前沿阵地上,这样敬业的精神值得我们钦佩,同样也值得我们感激。
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