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2019-10-11
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原创
2019年10月9日,诺贝尔组委会发布诺贝尔化学奖得主,为表彰美国奥斯汀德州大学教授约翰·B·古迪纳夫、美国宾汉姆顿大学教授M·斯坦利·威廷汉和日本旭化成研究员吉野彰三人于锂电池开发上的贡献,此次化学奖由三人共同获奖。
诺贝尔三位得主
尽管此次诺贝尔化学奖三位得主在此之前并未同事,但由于三位得主在锂电池发展的不同时段的研发成果,对锂电池的发展起到了重大推动作用,诺贝尔组委会决定本届化学奖由三人共同获奖。
室温可充电锂电池——M·斯坦利·威廷汉
上世纪70年代早期,M·斯坦利·威廷汉致力于寻找可以摆脱化石燃料的能源,他通过研究超导体发现了一种能量非常丰富的材料,将其用在锂电池中创建新的阴极,而电池的阳极部分则由金属锂制成,这种金属具有强烈的释放电子的动力。由此,M·斯坦利·威廷汉开发出了一种可在室温下工作的可充电锂离子电池。
最年长诺奖得主——约翰·B·古迪纳夫
约翰·B·古迪纳夫以97岁的高龄刷新2018年诺贝尔物理学奖得主——亚希金的记录,成为目前最年长的诺奖得主。尽管约翰·B·古迪纳夫已经97岁高龄了,但仍然奋斗在锂电池科研的第一线,同为此次得主的吉野彰接受采访表示,已超过90岁的约翰·B·古迪纳夫仍在德州大学从事最尖端研究,自己一年约一次在美国德州会晤约翰·B·古迪纳夫,而他把自己当儿子般疼爱。
1.钴酸锂电池
由于“锂”金属的特殊性,早在数十年前就被尝试作为电池的电极材料进行研发,“锂”真正被利用在电池上是约翰·B·古迪纳夫的研究成果。约翰·B·古迪纳夫通过将“氧化物”作为电池阴极材料,发明了“钴酸锂电池”(LiCoO2),大幅提升能量密度,使得二次电池出现革命性突破,目前的智能手机电池及电动汽车的动力电池同样是受惠于“钴酸锂电池”。
2.磷酸铁锂电池
在目前的新能源商用车领域,由于成本、安全等诸多因素下,多采用磷酸铁锂电池作为汽车的动力电池,而磷酸铁锂电池的发展也离不开约翰·B·古迪纳夫的科研成果。
自1996年日本的NTT首次揭露AyMPO4(A为碱金属,M为CoFe两者之组合:LiFeCoPO4)的橄榄石结构的锂电池正极材料之后,1997年美国德克萨斯州立大学约翰·B·古迪纳夫等研究群,也接着报导了LiFePO4的可逆性地迁入脱出锂的特性。
两国不约而同地发表橄榄石结构(LiMPO4), 使得该材料受到了极大的重视,并引起广泛的研究和迅速的发展。与传统的锂离子二次电池正极材料,尖晶石结构的LiMn2O4和层状结构的LiCoO2相比,LiMPO4 的原物料来源更广泛、价格更低廉且无环境污染。
3.固态电池
传统锂电池有两大致命短板:1.能量密度有局限;2.安全性。
约翰·B·古迪纳夫接受采访表示,希望研发出高能量密度、高安全性的固态电池,对此他说,“我想在去世前解决这个问题,我才九十多岁,还有时间。”
在理念上存在较大发展空间的有燃料电池、固态电池、超级电容器、铝空气电池和镁电池等,其中固态电池被视为目前最有可能继承锂离子电池地位的电池。最终成为主流的电池必须具备足够的商业化模式和合适的成本。
固态电池具备多个优势:能量密度高:能量密度高意味着相同电量的情况下,固态电池比传统锂电池的质量更轻。安全性强、循环寿命长、充电速率:理论上固态电池能够避免出现传统锂电池的枝晶生长现象,从而在循环寿命、安全、充电速率等方面表现出色。尺寸薄、柔韧性强:固态电池技术通过使用固体电解质替代传统锂电池的电解液,在理论上可以达到缩减电解液所需空间,从而达到削减电池尺寸和增加电池的柔韧性。
尽管目前固态电池的发展情况可观,但距离商用化普及仍需要一段时间,根据大部分企业的规划,固态电池技术真正成熟可能需要等到2025年前后,真正具备量产能力可能需要等到2030年前后。
首个商业锂离子电池——吉野彰
以约翰·B·古迪纳夫的电池阴极作为基础,吉野彰研制了首个商业锂离子电池,他没有在阳极使用活性锂,而不是采用石油焦,这是一种碳材料,像阴极的钴氧化物一样,可以插入锂离子。最终研制的锂电池具有重量轻、耐磨的特点,可充电使用数百次,锂离子电池的优点是,它们不是基于分解电极的化学反应,而是基于锂离子在阳极和阴极之间往返流动。
小结
三位锂电科研家被称为“锂电之父”,毫不夸张的说,缺少了这三人,智能手机和电动汽车以及一切与锂电池相关的产业的发展都会被延后。有关锂电池的未来展望,吉野彰认为应用于电动汽车等势必会有更多进展,如果要将锂电池应用于新用途、新领域时,必须进行技术改良,但关于锂电池还有很多未知事项。
此次诺贝尔化学奖颁给锂电池科研人员,不单意味着锂电技术成果的累积,同时也是一次信号。近些年来,不论是欧美地区,还是亚太地区,全球各国都处于大力推动汽车智能化、电动化的阶段。此次锂电技术登上诺贝尔的舞台,这对于动力电池行业同样是一次激励。
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