全球電動趨勢 鋰電登上諾獎

2019年10月9日,諾貝爾組委會發(fā)布諾貝爾化學獎得主,為表彰美國奧斯汀德州大學教授約翰·B·古迪納夫、美國賓漢姆頓大學教授M·斯坦利·威廷漢和日本旭化成研究員吉野彰三人于鋰電池開發(fā)上的貢獻,此次化學獎由三人共同獲獎。

諾貝爾三位得主

盡管此次諾貝爾化學獎三位得主在此之前并未同事,但由于三位得主在鋰電池發(fā)展的不同時段的研發(fā)成果,對鋰電池的發(fā)展起到了重大推動作用,諾貝爾組委會決定本屆化學獎由三人共同獲獎。

室溫可充電鋰電池——M·斯坦利·威廷漢

上世紀70年代早期,M·斯坦利·威廷漢致力于尋找可以擺脫化石燃料的能源,他通過研究超導體發(fā)現了一種能量非常豐富的材料,將其用在鋰電池中創(chuàng)建新的陰極,而電池的陽極部分則由金屬鋰制成,這種金屬具有強烈的釋放電子的動力。由此,M·斯坦利·威廷漢開發(fā)出了一種可在室溫下工作的可充電鋰離子電池。

最年長諾獎得主——約翰·B·古迪納夫

約翰·B·古迪納夫以97歲的高齡刷新2018年諾貝爾物理學獎得主——亞希金的記錄,成為目前最年長的諾獎得主。盡管約翰·B·古迪納夫已經97歲高齡了,但仍然奮斗在鋰電池科研的第一線,同為此次得主的吉野彰接受采訪表示,已超過90歲的約翰·B·古迪納夫仍在德州大學從事最尖端研究,自己一年約一次在美國德州會晤約翰·B·古迪納夫,而他把自己當兒子般疼愛。

1.鈷酸鋰電池

由于“鋰”金屬的特殊性,早在數十年前就被嘗試作為電池的電極材料進行研發(fā),“鋰”真正被利用在電池上是約翰·B·古迪納夫的研究成果。約翰·B·古迪納夫通過將“氧化物”作為電池陰極材料,發(fā)明了“鈷酸鋰電池”(LiCoO2),大幅提升能量密度,使得二次電池出現革命性突破,目前的智能手機電池及電動汽車的動力電池同樣是受惠于“鈷酸鋰電池”。

2.磷酸鐵鋰電池

在目前的新能源商用車領域,由于成本、安全等諸多因素下,多采用磷酸鐵鋰電池作為汽車的動力電池,而磷酸鐵鋰電池的發(fā)展也離不開約翰·B·古迪納夫的科研成果。

自1996年日本的NTT首次揭露AyMPO4(A為堿金屬,M為CoFe兩者之組合:LiFeCoPO4)的橄欖石結構的鋰電池正極材料之后,1997年美國德克薩斯州立大學約翰·B·古迪納夫等研究群,也接著報導了LiFePO4的可逆性地遷入脫出鋰的特性。

兩國不約而同地發(fā)表橄欖石結構(LiMPO4), 使得該材料受到了極大的重視,并引起廣泛的研究和迅速的發(fā)展。與傳統(tǒng)的鋰離子二次電池正極材料,尖晶石結構的LiMn2O4和層狀結構的LiCoO2相比,LiMPO4 的原物料來源更廣泛、價格更低廉且無環(huán)境污染。

3.固態(tài)電池

傳統(tǒng)鋰電池有兩大致命短板:1.能量密度有局限;2.安全性。

約翰·B·古迪納夫接受采訪表示,希望研發(fā)出高能量密度、高安全性的固態(tài)電池,對此他說,“我想在去世前解決這個問題,我才九十多歲,還有時間?！?/strong>

在理念上存在較大發(fā)展空間的有燃料電池、固態(tài)電池、超級電容器、鋁空氣電池和鎂電池等,其中固態(tài)電池被視為目前最有可能繼承鋰離子電池地位的電池。最終成為主流的電池必須具備足夠的商業(yè)化模式和合適的成本。

固態(tài)電池具備多個優(yōu)勢:能量密度高:能量密度高意味著相同電量的情況下,固態(tài)電池比傳統(tǒng)鋰電池的質量更輕。安全性強、循環(huán)壽命長、充電速率:理論上固態(tài)電池能夠避免出現傳統(tǒng)鋰電池的枝晶生長現象,從而在循環(huán)壽命、安全、充電速率等方面表現出色。尺寸薄、柔韌性強:固態(tài)電池技術通過使用固體電解質替代傳統(tǒng)鋰電池的電解液,在理論上可以達到縮減電解液所需空間,從而達到削減電池尺寸和增加電池的柔韌性。

盡管目前固態(tài)電池的發(fā)展情況可觀,但距離商用化普及仍需要一段時間,根據大部分企業(yè)的規(guī)劃,固態(tài)電池技術真正成熟可能需要等到2025年前后,真正具備量產能力可能需要等到2030年前后。

首個商業(yè)鋰離子電池——吉野彰

以約翰·B·古迪納夫的電池陰極作為基礎,吉野彰研制了首個商業(yè)鋰離子電池,他沒有在陽極使用活性鋰,而不是采用石油焦,這是一種碳材料,像陰極的鈷氧化物一樣,可以插入鋰離子。最終研制的鋰電池具有重量輕、耐磨的特點,可充電使用數百次,鋰離子電池的優(yōu)點是,它們不是基于分解電極的化學反應,而是基于鋰離子在陽極和陰極之間往返流動。

電車資源小結

三位鋰電科研家被稱為“鋰電之父”,毫不夸張的說,缺少了這三人,智能手機和電動汽車以及一切與鋰電池相關的產業(yè)的發(fā)展都會被延后。有關鋰電池的未來展望,吉野彰認為應用于電動汽車等勢必會有更多進展,如果要將鋰電池應用于新用途、新領域時,必須進行技術改良,但關于鋰電池還有很多未知事項。

此次諾貝爾化學獎頒給鋰電池科研人員,不單意味著鋰電技術成果的累積,同時也是一次信號。近些年來,不論是歐美地區(qū),還是亞太地區(qū),全球各國都處于大力推動汽車智能化、電動化的階段。此次鋰電技術登上諾貝爾的舞臺,這對于動力電池行業(yè)同樣是一次激勵。

來源:電車資源

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