锂电池凭什么获得诺贝尔化学奖?多年来技术有什么进步?

2019-10-24 09:59:28作者:匿名

北京时间10月9日下午,瑞典皇家科学院宣布将把2019年诺贝尔化学奖授予三位科学家,约翰·古德托、斯坦利·威廷汉姆和吉野·阿基拉,以表彰他们在锂电池领域的贡献。这可以说诺贝尔奖是最接近汽车工业的奖项,甚至越来越受欢迎的电动汽车也将这三位科学家推到了诺贝尔奖的位置。

看到这一点,有些人可能会质疑电动车电池是目前制约电动车发展的最大制约因素。市场上电动汽车的耐久性仍然远远低于燃油汽车。自从iphone流行以来,我们的手机每天都要充电。锂电池技术似乎已经这么多年没有突破了。我们怎样才能授予他们诺贝尔化学奖?

习惯性迟到诺贝尔奖

站在这个时代,我们已经习惯了锂电池,但是回到30年前,当我们通常仍然使用不可充电的干电池,当中国罕见的手机仍然使用镍氢可充电电池时,我们现在使用的大多数锂电池技术实际上已经被发明出来。

1973年,第四次中东战争开始了。欧佩克宣布石油禁运并暂停出口,导致了第一次石油危机。美国、英国、日本等发达国家意识到摆脱石油依赖的迫切需要,开始利用国家电力投资电池研究,因为电池不仅可以替代石油作为汽车的能源,还可以成为风能、太阳能等可再生能源的储能装置。当时,世界各地的化学家普遍认为石油正在枯竭,开发电池的热情是前所未有的。

斯坦福大学博士后助理斯坦利·惠汀汉姆取得了第一个突破。他发现锂原子可以在室温下从一个电极电化学转移到另一个电极,而不会对电极造成太大的损伤。他用嵌入化学的概念来解释电池充电的过程,这在科学界引起了很大反响。然后石油巨头埃克森公司向他伸出橄榄枝,并为他建立了一个特殊的实验室。威廷翰在实验室成功合成锂铝合金,生产出一种体积小、功能强的阴极,并以硫化钛为阳极材料。1977年,埃克森公司将威丁厄姆发明的电池推向市场。这种小电池用于太阳能手表。

威丁厄姆的发明证实了锂电池开发的可行性,也为其他科学家指明了前进的方向。1976年,当时54岁的约翰·古德托从麻省理工学院林肯实验室调到牛津大学化学系担任无机化学实验室主任。他的研究方向从固体物理学转向电池。没人想到一个名叫古德托的科学家,他参加了第二次世界大战,半辈子成了修道士,一次又一次地在锂电池技术上取得突破。我们现在使用的几乎所有锂电池都和他有关。

自威丁厄姆转向电池研究以来,古德伊尔一直在寻求创造一种比他发明的电池更强的储能电池。经过4年的研究,古德托开发出钴酸锂(锂钴酸盐),它具有较高的充放电电压,在取代硫化钛作为正极时可以储存更多的能量。当时,古德托并不知道他发明的新电池阳极将会广泛应用于电子产品中,带来了便携式手机和笔记本电脑的时代,彻底改变了我们的生活方式。牛津大学甚至不想帮他申请这项技术的专利,到目前为止他还没有从这项发明中受益。

虽然古德托的姓氏已经够好了,但他似乎从未觉得自己在锂电池领域的技术已经够好了。氧化钴锂发明后,1981年,古德托和团队中的南非成员萨克雷(Thackeray)共同发明了尖晶石锰酸锂。这种新材料比钴酸锂更便宜也更安全。1995年,在反复测试尖晶石的各种配方后,古德托发现铁和磷的结合是最稳定的。如此发明的磷酸铁锂电池的能量密度高于锰酸锂电池,并且比钴酸锂电池更安全。后来,大约在2000年,古德托团队的南非成员萨克雷(Thackeray)发明了ncm镍钴锰三元锂电池,进一步将电池技术推向了一个新的水平。97岁的古德沃勒是诺贝尔奖历史上最老的获奖者,但他从未停止过与锂电池相关的研究工作。七年前,他开始研究固态电池,希望再次改变世界,就像他发明钴酸锂阳极一样。

虽然古德托是钴酸锂电池技术的创始人,但日本科学家吉野·阿基拉在钴酸锂电池改变世界的过程中可能有更多的功劳。1990年,经过10年的研究,当时朝日新闻公司的研究员吉野·阿基拉成功地用碳取代锂合金作为电池的负极。该电池结合古德托钴酸锂正极,安全性更好,大大降低了火灾风险。因为这种电池不含金属锂,所以也被称为锂离子电池。根据吉野·阿基拉的研究,索尼于1991年正式推出了世界上第一款商用锂离子电池。随后,索尼用石墨烯代替了碳阳极,提高了电池的安全性、能量密度和循环寿命,并设定了至今仍在使用的18650电池的总尺寸。

因此,如果没有他们三人和以他们为代表的默默研究锂电池技术的科学团队,今天的移动互联网时代可能不会到来,因为移动电话和计算机可能必须携带大电池,它们的耐用性可能比现在更差。谁愿意带他们去任何地方?我们也许不必争论电动汽车现在是否是未来的趋势,更不用说特斯拉或者任何制造电动汽车的新动力了。我们都可以去研究燃料电池汽车或天然气汽车。

今天,全球锂电池行业已经达到了近500亿美元的规模,并且以每年10%以上的速度增长。锂电池已经渗透到每个家庭,为我们的生活提供服务。锂离子电池技术获得诺贝尔奖。三位科学家,约翰·古德托、斯坦利·威廷汉姆和吉野·阿基拉获得了诺贝尔奖。他们绝对罪有应得。至于为什么到目前为止都给他们颁奖,除了新技术需要长时间验证才能证明其贡献价值之外,诺贝尔奖的“习惯性迟到”因素以及电动汽车普及的大趋势的推动也不容忽视。2020年将是世界主流汽车公司集体推出电动汽车的一年。研发的初衷是取代石油锂电池,最终承担最重要的历史使命。此时的奖项无疑是“政治正确性”的体现。

动力电池技术仍处于“定量变化”阶段。

当然,一开始的说法“锂电池技术这么多年没有突破”也是正确的。我们的手机电池似乎总是不够用,电动汽车仍然不适合长途行驶,锂电池似乎没有完全胜任他们应该做的工作。

在过去很长一段时间里,锂电池的主要市场是消费电子领域。钴酸锂电池的良好性能使得企业缺乏开发和应用新电池技术的动力。基于原始技术的能量密度的小幅增加、电池容量的增加和充电速度的提高基本上满足了消费者的需求。根本不需要革命性的突破,电子产品的销量也不会受到影响。没有多少人不会买iphone,因为它的电池寿命很短。为什么要投资很多钱来大大改进电池?

然而,在汽车领域,在此之前很长一段时间,电动汽车作为传统汽车企业的备用技术路线而存在。没有市场需求,从发明到应用电池技术的过程非常缓慢。比亚迪直到2006年才在概念车f3e上使用上世纪90年代发明的磷酸铁锂电池,当时电池组的能量密度约为103瓦时/千克。两年后,比亚迪的第一辆插电式混合动力车f3 dm成为世界上第一辆使用磷酸铁锂电池的量产车。2006年发布的特斯拉跑车采用了早期的18650钴酸锂电池,电池组能量密度为118瓦时/千克(电池能量密度可达211瓦时/千克,但热管理系统过于复杂)。2010年,日产聆风使用电池能量密度为157瓦时/千克的锰酸锂电池。电池组放弃了主动热管理系统,仅使用空气冷却来获得107瓦时/千克的能量密度。同年,雪佛兰沃尔特首次使用电池能量密度为150瓦时/千克的镍钴锰三元锂电池,而电池组能量密度仅为94瓦时/千克。直到2012年,特斯拉的第一代型号s才开始转向更新的18650nca镍钴铝三元锂电池,电池能量密度上升至250wh/kg。

此后,全球电动汽车市场开始起飞,市场需求继续扩大。比亚迪逐步推出价格更低、安全性更好的磷酸铁锂电池,而理论能量密度更高的三元锂电池则一直由特斯拉“加载”。直到那时,锂电池才在汽车领域显示出相对较快的发展趋势。特斯拉在2016年发布model3时,宣布改用21700nca镍钴铝三元锂电池。细胞能量密度达到300瓦时/千克。仅在四年内,三元锂电池的能量密度就接近行业预测的350瓦时/千克的极限。另一方面,比亚迪计划在过去两年将磷酸铁锂电池的能量密度提高至160瓦时/千克,并将成本再降低30%。

随着电动汽车市场和锂电池行业的不断扩张,汽车企业终于有能力快速应用新的电池技术,电池前沿技术的研究速度也将加快。在石油危机期间,科学界有望重拾对电池研发的热情。古德伊尔7年前开始研究的固态电池技术不应该再等20到30年才能批量应用。围绕电池的相关技术,如电池管理技术和快速充电技术,也在迅速发展。我们正在经历电动汽车技术的“数量变化”。别担心,政策和市场是双重促进的。我相信“质变”很快就会到来。

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