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“鋰電池之父”獲2019諾貝爾化學獎 他們創造了一個可充電的世界

作者:趙建國 來源:中國汽車報 發布時間:2019-10-15 瀏覽:
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中國儲能網訊:近120年歷史的諾貝爾獎,每次頒獎總是令人心潮激蕩,吸引無數熱切的目光。

10月9日,從瑞典皇家科學院傳來消息,“鋰離子電池之父”約翰·巴尼斯特·古迪納夫等3人,榮獲2019年諾貝爾化學獎。“他們創造了一個可充電的世界。”諾貝爾獎委員會在頒獎詞中說,“鋰離子電池自1991年進入市場以來,已經徹底改變了我們的生活,為無線、無化石燃料的社會奠定了基礎,為人類帶來了最大效益。”

“時至今日,鋰電池不僅改寫了汽車的發展史,也為汽車的未來發展構筑了良好基礎。”湖南大學材料科學與工程學院教授黃宏文在接受《中國汽車報》記者采訪時表示。

■三位科學家走向同一目標 電池發明改變汽車發展方向

今年獲得諾貝爾化學獎的三人,分別是97歲的美國德州大學奧斯汀分校機械工程和材料科學教授約翰·巴尼斯特·古迪納夫、77歲的紐約州立大學賓漢姆頓大學材料研究所和材料科學與工程專業主任邁克爾·斯坦利·威廷漢、71歲的日本名城大學教授吉野彰。三人發明鋰電池的過程,充滿了戲劇性的故事。

古迪納夫出生于1922年7月25日。據說其少年時有閱讀障礙,卻酷愛文學與哲學,但最終以優異成績從耶魯大學數學系畢業,后獲得芝加哥大學物理學博士學位。1952到1976年,古迪納夫在林肯實驗室工作期間,研究了鋰離子的移動,冥冥之中為以后的發明奠定了基礎。在此期間,他發現了鐵氧體磁芯的電流重合記憶功能,這是電子計算機內存技術的基礎,也是今天智能網聯汽車不可或缺的重要部件。

20世紀70年代,正趕上石油危機,科學界紛紛尋找新的替代能源。1976年,54歲的古迪納夫因科研經費被砍而失業,卻意外被邀請到牛津大學擔任教授。當時,供職于埃克森公司的英國化學家威廷漢已經采用硫化鈦作為正極材料,金屬鋰作為負極材料,制成了首個鋰離子電池。不過,這種鋰電池只有2伏特電壓,而且極其容易在充放電過程中起火爆炸,沒有應用價值。古迪納夫經過反復實驗,證明了鈷酸鋰作為陰極材料可以產生更高的電壓,而且這樣的鋰電池安全性顯著改善,具備商業價值。

幾乎與此同時,日本正在尋找質量輕便且能反復充電的電池。日本旭化成株式會社的研究員吉野彰對此探索多年,當他讀到古迪納夫關于鈷酸鋰材料的論文時深受啟發。經過努力,吉野彰應用古迪納夫的學術成果設計了鋰離子電池,并確立了鋰離子電池的基本概念和技術范式。他于1986年發明了產品化的鋰離子電池,并于1991年上市銷售。從此,手機、電腦的體積大幅縮小,并且由此催生了電動汽車。

此后,許許多多研究人員順著元素周期表展開了探索,試圖找到性能更優良的電極材料,但都沒有成功。不過,鋰離子電池也一直在科學家們的手中不斷“進化”。1997年,75歲的古迪納夫又發明了磷酸鐵鋰電池。

鋰離子電池的應用,使誕生百余年的汽車終于甩掉了油箱,改寫了傳統汽車從蒸汽到燃油都是靠活塞發動機的歷史,有了使用清潔能源的電動汽車,從而減少了溫室氣體和顆粒物的排放,這對于人類文明的發展和延續功勛卓著。

如今,97歲高齡的古迪納夫仍然在從事研究,他希望能研發出高能量密度、高安全性的固態電池。他說:“我才90多歲,還有時間。我想創造一個更清潔、更美好的世界。”

■磷酸鐵鋰和三元齊頭并進 汽車進入電驅動時代

諾貝爾獎獲得者發明的動力電池,如今已成為電動汽車的“心臟”。正如國務院發展研究中心產經部副部長石耀東所言,今年諾貝爾化學獎授予電化學項目,讓世界進入“可充電”時代。不僅是汽車、移動出行領域,這令整個世界有了對進入電驅動時代的全新理解。

目前,在汽車的動力電池領域,諾貝爾獲獎者研發的三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池都在應用。不過,分析兩類電池的發展特性,雖都有優點,也還存在不足。

首先,磷酸鐵鋰電池的安全系數較高,其熱失控溫度一般在500℃以上,而三元鋰電池的臨界點低于300℃,一些高鎳三元鋰電池更是低至200℃。

其次,磷酸鐵鋰電池具有成本優勢。磷酸鐵鋰電池的循環充電次數可達3500次,幾乎是三元鋰電池2000次的近2倍,其使用的金屬材料都不是貴金屬,可節省電池成本,相對來說,三元鋰電池成本則較高。

第四,三元鋰電池能量密度近年來有了較大提升,可達300Wh/kg,如今的純電動汽車續駛里程已達到500到600公里左右。而磷酸鐵鋰電池的能量密度有待提升。

第五,三元鋰電池的環境適應能力更強,即使在-30℃條件下,仍可保持正常電池容量。磷酸鐵鋰電池抗低溫能力則較差,在氣溫低于-10℃的低溫條件下,磷酸鐵鋰電池衰減得非常快。

這些并存的優缺點,正激勵著全球各國展開激烈的競爭。“從全球范圍來看,目前車載鋰離子動力電池產業的競爭主要集中在中、日、韓等國。”上海交通大學電氣工程系教授唐厚君表示。目前,日本的松下,韓國的三星、SK、LG化學,中國的寧德時代、比亞迪,都在動力電池領域占據著較大的市場份額,也是全球公認的動力電池領域的頭部企業。

數據顯示,今年上半年,寧德時代的營業收入為202.64億元,凈利潤高達21.02億元;國內動力電池裝機量排名第二的比亞迪,目前除了積極擴產,也在三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池上同時發力。不過,也應看到,挑戰無處不在。一方面,日韓電池企業正在加快重返中國市場;另一方面,整車廠比如大眾集團開始涉足電池制造,以此來完善產業鏈布局,競爭態勢正在發生新的變化。

挑戰和競爭促使全球車企在動力電池的研發上一直向前,他們如今正試圖站在巨人的肩上,實現更多創造。

■鋰電池研發接力賽:固態電池成新寵

古迪納夫正在研究的固態電池,是動力電池“進化”的重要方向之一。接過研發接力棒,全球車企都將目光盯在了固態電池上。

“固態電池等新技術已成為有實力車企競相逐鹿的新領域。”中南大學化學化工學院教授劉洪濤表示,相較于目前使用的液態鋰電池,不含液態電解質的固態電池優勢很多,如高安全性能、高能量密度、循環壽命長、生產效率提高、具備柔性優勢等。

在全球范圍內,日本、韓國、法國、美國等國家已加大研發力度,全球多家車企和電池廠家也發布了固態電池相關的研發進展。目前,豐田、松下、三星、三菱、寶馬、大眾、現代、戴森等企業均在加緊布局固態電池技術儲備。日本更是將固態電池研發提升到國家戰略高度。

在我國,2017年3月,工信部等四部委印發的《促進汽車動力電池產業發展行動方案》就提出,積極推動鋰硫電池、金屬空氣電池、固態電池等新體系電池的研究和工程化開發,2020年單體電池比能量達到400Wh/kg以上、2025年達到500Wh/kg。

“不斷解決技術瓶頸,對于固態電池向新能源汽車應用靠近是有利的。”吉林大學無機合成與制備化學國家重點實驗室教授袁宏明表示,解決固態電池的應用技術問題是當務之急,其中包括固體電解質材料離子電導率偏低、體積能量密度需進一步提升、制備成本高等技術問題,都迫切需要研究突破。

隨著汽車行業電動化浪潮愈演愈烈,大量資金和研究人員正匯聚在動力電池領域,或許在不久的將來,我們有望能看到更多具有開拓性的成果。

關鍵字:鋰電池

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