[汽車之家 技術(shù)] 2019年10月9日下午,瑞典皇家科學(xué)院公布了2019年諾貝爾化學(xué)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(lǐng)域所做出的巨大貢獻(xiàn),。這三位科學(xué)家分別來自美國、英國以及日本,,在他們?nèi)齻的共同努力之下,,成功的將鋰離子電池推向市場,促進(jìn)了如今智能手機(jī),、筆記本電腦,、電動汽車等行業(yè)的快速發(fā)展。
◆鋰離子電池的身世 第一章:威廷漢建立理論基礎(chǔ)
上世紀(jì)70年代,,全球石油危機(jī)大爆發(fā),,按當(dāng)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(fēng)能、太陽能作為替代能源,,在當(dāng)時得到廣泛研究,。但這種能源的產(chǎn)生是靠天來決定,導(dǎo)致生產(chǎn)的電能很不穩(wěn)定,,這是向電網(wǎng)供電的一大忌,。所以需要一種高能量密度的儲能裝置,,把風(fēng)力發(fā)電機(jī)或者太陽能電池板所產(chǎn)生的電能儲存起來,,再穩(wěn)定的輸出給電網(wǎng),。在這樣的背景下,研發(fā)出可以反復(fù)充放電的高性能電池成為當(dāng)時科學(xué)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(nèi)它的密度可以做到很大,,因此當(dāng)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(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng),釋放熱量,,甚至爆炸,,所以想要駕馭它非常難。
上世紀(jì)50年代,,曾有將鋰金屬作為負(fù)極的電池出現(xiàn),,這種電池在相同規(guī)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(dāng)70年代爆發(fā)石油危機(jī)時,,科學(xué)家們就開始研究怎樣利用鋰的特性來創(chuàng)造出容量高,,且可反復(fù)利用的充電電池,。
上世紀(jì)70年代,,斯坦福大學(xué)的英國教授威廷漢(Stan Whittingham)有個重大發(fā)現(xiàn),。當(dāng)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(jié)構(gòu)的二硫化鈦(TiS2)中,從而產(chǎn)生電能,。且整個過程可逆,,也就是可以反復(fù)充放電,這意味著金屬鋰所具備的電化學(xué)優(yōu)勢終于可以在可充放電電池中展現(xiàn)了,!
教授也是信心滿滿,,在能源巨頭�,?松梨诠镜闹亟鹳Y助下,,他的團(tuán)隊(duì)迅速投入到商用可充電鋰離子電池的研發(fā)中,。這個項(xiàng)目初期很順利,,研發(fā)出來的電池充放電效果符合預(yù)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(xué)角度上講堪稱天衣無縫,,然而卻因?yàn)橐粋物理學(xué)現(xiàn)象而存在嚴(yán)重的缺陷,。
這個現(xiàn)象表現(xiàn)為,,隨著電池的反復(fù)充放電,電池負(fù)極開始生成樹枝狀的金屬鋰晶體,學(xué)名為鋰枝晶,。鋰枝晶會從電池負(fù)極通過電解液向正極生長,從而刺破電池內(nèi)部的隔膜,,使正負(fù)極短路,導(dǎo)致電池?zé)崾Э�,,所以教授的�?shí)驗(yàn)室經(jīng)常會發(fā)生鋰離子電池起火事故,。并且,隨著電池的多次循環(huán),,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(fā)的可充電鋰電池以失敗告終,,但這一發(fā)現(xiàn)為后期研發(fā)出更安全的鋰離子電池奠定了理論基礎(chǔ)。
◆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(xué)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(dāng)時,,古迪納夫推斷,,威廷漢先生研發(fā)出來的硫化鈦正極材料存在一個缺陷,就是當(dāng)充電時,,鋰離子電池會從正極材料中不斷的像負(fù)極移動,,導(dǎo)致正極材料的內(nèi)部被掏空,,出現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)坍塌,導(dǎo)致對電池不可逆的破壞,。如今,,這個推斷已被業(yè)界證實(shí)。
他們研究發(fā)現(xiàn),,當(dāng)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(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下,向負(fù)極輸送近一半的鋰離子,,并生成鋰金屬(負(fù)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(fù)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(dǎo)致�,?松梨诠緭p失慘重,,使很多美國企業(yè)都對鋰離子電池不抱有希望,以至于古迪納夫的這項(xiàng)研究并不被看好,,甚至其所在的牛津大學(xué)都不愿意為鈷酸鋰的發(fā)現(xiàn)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(fā)了一位名叫吉野彰(Akira Yoshino)的日本化學(xué)家,。吉野彰先生當(dāng)時就職于日本的旭化成公司,他在這里負(fù)責(zé)研發(fā)鋰離子充電電池,。他當(dāng)時已經(jīng)找到了十分優(yōu)秀的充電電池負(fù)極材料——石墨,。這種材料具有成本低、高性能,、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的優(yōu)勢,,簡直是鈷酸鋰正極材料的絕配。
當(dāng)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(fù)極材料制造出了世界上第一塊鋰離子電池,。這塊電池內(nèi)部,沒有危險的金屬鋰,,所有的鋰全是以離子態(tài)的方式存在,,這便使得它相比以往采用鋰金屬作為負(fù)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(tuán)隊(duì)通過與索尼公司合作,,在1991年發(fā)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(jī)以及筆記本電腦等電子產(chǎn)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(shè)備在相同體積下更為耐用,因此在業(yè)界引起不小轟動,。就此,,鋰離子電池商業(yè)化之路的大門打開了。
至于后來的事情,,相信很多人都已經(jīng)見證,,隨著鋰離子電池的發(fā)展,能量密度越來越高,,助力手機(jī)、筆記本電腦,、智能手表等個人電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)小型化,,大大提升了實(shí)用性。
至此,,我們了解到,,威廷漢先生發(fā)現(xiàn)了鋰離子可以通過電解液嵌入到正極材料層狀結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象,啟發(fā)了古迪納夫先生,,并使他研究出了穩(wěn)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(fù)極相結(jié)合,為鋰離子電池的商業(yè)化帶來了曙光,,并對今后人類的生活產(chǎn)生了深遠(yuǎn)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(dāng)之無愧,!
◆消費(fèi)電子產(chǎn)品上的鋰離子電池與動力鋰離子電池有什么區(qū)別?
鋰離子電池自誕生以來一直在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中大行其道,,而近幾年它在電動車領(lǐng)域得到極大的發(fā)展,,讓無碳出行成為可能。那么二者又有什么區(qū)別呢,?
一般在手機(jī),、智能手表等消費(fèi)類電子設(shè)備上,通常會選用像鈷酸鋰這種具有較大能量密度的鋰離子電池,。雖然這種電池可能會帶來一定的安全風(fēng)險,,但由于它們體積小且與人形影不離,使用環(huán)境總體來講不那么苛刻,所以風(fēng)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(fèi)類電子產(chǎn)品上的電池那么高,為的就是降低安全風(fēng)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(xiàn)風(fēng)險的概率,那么整體電池組出現(xiàn)風(fēng)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(shè)計遠(yuǎn)比數(shù)碼電子產(chǎn)品更為復(fù)雜的電池主/被動散熱系統(tǒng),,以及精密的電池控制系統(tǒng)。
此外,,更高能量密度的鋰離子電池通常壽命更短,,而消費(fèi)類電子產(chǎn)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(fèi)類電子產(chǎn)品的使用需求,,但并不太適合電動車。
◆吉野彰對于電動車發(fā)展的看法
吉野彰先生曾經(jīng)在接受媒體對話的時候預(yù)測,,電動汽車在2025年左右將會占據(jù)新車銷量的15%,,但限制電動車發(fā)展的關(guān)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(chǎn)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(yè)也將得到更加長遠(yuǎn)的發(fā)展。
◆古迪納夫是何許人也,?
當(dāng)看到這里,,或許大家已經(jīng)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(fā)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(xì)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(fā)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(xué)方面所做出的成就更為奪目。在電化學(xué)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(fā)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(yè)化,。不過這只是他在鋰離子電池領(lǐng)域貢獻(xiàn)的一小部分,,或者說是一個開始。隨后,,他繼續(xù)投身于鋰離子電池領(lǐng)域的研究,。
最早投入使用的鈷酸鋰電池其實(shí)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(jié)構(gòu)也會出現(xiàn)不可逆的塌陷,,雖然只有一小部分,但已經(jīng)足以讓使用者感受到電池壽命的降低,,這也是為什么數(shù)碼產(chǎn)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(yīng)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(tuán)隊(duì)很早就開始研究鈷酸鋰的替代材料,。這種材料的層狀結(jié)構(gòu)要足夠穩(wěn)定,,使電池的使用壽命大大增強(qiáng),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(dāng)古迪納夫75歲那年,,他的團(tuán)隊(duì)再次給了世界一個驚喜。他們研發(fā)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(jié)實(shí)的晶體結(jié)構(gòu),,并可以使鋰離子在內(nèi)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(gòu)成元素是我們生活中隨處可見的鐵和磷,所以生產(chǎn)成本要比鈷酸鋰低得多,。
但磷酸鐵鋰材料的發(fā)展并不順風(fēng)順?biāo)�,,全球多家電池企業(yè)因?yàn)闋帄Z這項(xiàng)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(lǐng)域?qū)m(xù)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(xiàng)對鋰電池行業(yè)發(fā)展起到推進(jìn)作用的偉大發(fā)明,。
憑借著研發(fā)出鈷酸鋰以及磷酸鐵鋰電池材料,鋰離子電池得以走進(jìn)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(xiàn)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(yù)而活,他更在乎的似乎還是鋰離子電池未來的發(fā)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(xù)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(tài)電池的新型鋰離子電池,。
相信很多人都聽說過固態(tài)電池,但或許并不了解它是什么,,究竟有什么用,。其實(shí)固態(tài)電池相比傳統(tǒng)的鋰離子電池最本質(zhì)的區(qū)別是,電池中的電解質(zhì)從液體變成了固體,。我們知道傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)非常危險,,是鋰離子電池著火的主要元兇。當(dāng)把它們換成成本更低的固態(tài)電解質(zhì)后,,其危險性將大大降低,,我們或許將不會再為手機(jī)、電動車起火而擔(dān)憂了,。
據(jù)古迪納夫先生介紹,,在2015年,他的團(tuán)隊(duì)就發(fā)現(xiàn)了一種名叫NASICON(鈉超離子導(dǎo)體)的固態(tài)電解質(zhì),。這種材料能夠達(dá)到與液態(tài)電解質(zhì)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(huán)次數(shù)以及更優(yōu)的安全性。在先生看來,,未來配備了全固態(tài)電池的電動車將有能力與由化石燃料提供動力的內(nèi)燃機(jī)車展開更激烈的競爭,。
◆尾聲:
曾經(jīng)流傳一種說法,雖然鋰離子電池不是古迪納夫一個人發(fā)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(zhàn)在新一代鋰離子電池研發(fā)的前沿陣地上,這樣敬業(yè)的精神值得我們欽佩,,同樣也值得我們感激,。(圖/文 汽車之家 胡永彬)
好評理由:
差評理由: