鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：3030次 | 2021年08月19日
鋰離子電池的200年發(fā)展史
2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，授予了三位“為鋰離子電池作出巨大貢獻(xiàn)”的科學(xué)家，分別是約翰·b·古迪納夫（Johnb.Goodenough）、M·斯坦利·威廷漢（M.StanleyWhittingham）和吉野彰（AkiraYoshino）。
三位并非是共同工作研究，而是作為鋰離子電池奠基者、鋰離子電池改造者和鋰離子電池優(yōu)化者在各處單獨(dú)進(jìn)行鉆研。目前生活中所不可或缺的種種電子產(chǎn)品都離不開(kāi)他們的功勞，無(wú)論是手機(jī)、電腦、相機(jī)還是電動(dòng)汽車(chē)，都是基于鋰離子電池技術(shù)的成熟才得到快速的發(fā)展。
電池簡(jiǎn)史
要想了解他們的貢獻(xiàn)，得先了解一下電池發(fā)展里程。
電池的基本原理即是用“活性較高”的金屬材料制作陽(yáng)極（即負(fù)極-），而用較為穩(wěn)定的材料制作陰極（即正極+），陽(yáng)極材料由于庫(kù)侖力的原由丟失電子（還原反應(yīng)），流向陰極使其獲得電子（氧化反應(yīng)），而電池內(nèi)部（電解液）則發(fā)生陰極的陰離子流向陽(yáng)極與陽(yáng)離子結(jié)合，由此形成回路，萌生電能。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
也正是因?yàn)檫@種流動(dòng)本質(zhì)上是化學(xué)反應(yīng)，所以遵循能量守恒定律。假如對(duì)外部用電器（手機(jī)、相機(jī)等耗電物品）做功了，也就意味著反應(yīng)萌生的能量被用電器“吸收”了，達(dá)到相對(duì)的平衡。假如沒(méi)有用電器，但是回路接通，就意味著能量無(wú)處可用，將會(huì)變成熱能，且速度非?？欤?yàn)殡娮右苿?dòng)的速度與光速相同，也就是為何電池發(fā)生短路時(shí)會(huì)劇烈發(fā)熱甚至燃燒爆炸。
一旦電池內(nèi)部化學(xué)能量消耗完畢，則電池就沒(méi)用了。所以可充電的電池，即是能夠通過(guò)外部通電將內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)“還原”（歸位），也就要選擇特別的材料和設(shè)計(jì)，能夠“完美”恢復(fù)原樣，使得電池重新獲得化學(xué)能量。
1799年，意大利物理學(xué)家AlessandroVolta發(fā)明了第一款電池（VlotaicPile伏特堆），他利用鋅片（陽(yáng)極）和銅片（陰極）以及浸濕鹽水的紙片（電解液）制成了電池，以證明了電是可以人為制造出來(lái)的。
約莫40年后，以為英國(guó)化學(xué)家JohnFredericDaniell通過(guò)變換電池形式，處理了伏特堆放電時(shí)萌生的氫氣氣泡問(wèn)題（由于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)萌生了氫氣，從而導(dǎo)致電池內(nèi)部接觸不良），此時(shí)電池可以達(dá)到1V電壓。
1850年，法國(guó)物理學(xué)家GastonPlanté發(fā)明了鉛酸蓄電池（陽(yáng)極為鉛、陰極為鉛氧化物、硫酸溶液為電解質(zhì)），利用鉛不僅僅做到了極低的成本，還能夠供應(yīng)12V的電壓，且能夠充電循環(huán)使用。這類電池被廣泛使用，車(chē)載蓄電池、早期電動(dòng)汽車(chē)等都采用這類電池，截止2014年，全球約售出了4470萬(wàn)塊鉛酸蓄電池。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
1899年，瑞典人WaldemarJungner發(fā)明了鎳鎘電池（鎳為陰極、鎘為陽(yáng)極，采用液體電解液），也就是小時(shí)候常常會(huì)用到的隨身聽(tīng)、四驅(qū)車(chē)所用的充電電池，為現(xiàn)代電子科技打下了基礎(chǔ)。不過(guò)這類電池有個(gè)巨大的缺點(diǎn)，也就是老一輩人常常會(huì)告訴你充電池非得用完才能充電的原由，由于其化學(xué)特性的原由，假如未用完電量就充電，會(huì)發(fā)生“鎘中毒”現(xiàn)象，導(dǎo)致電池“記憶”了“最低電量”，導(dǎo)致下次洋溢電量縮小，所以漸漸就被市場(chǎng)淘汰了。
1950之后，加拿大工程師LewisUrry發(fā)明了今朝非經(jīng)常見(jiàn)的堿性電池（鋅為陽(yáng)極、鎂氧化物為陰極，氫氧化鉀為電解液，也就是堿性電池名字來(lái)源），就是平時(shí)生活中常用的一次性電池，絕大多數(shù)都是不可充電的，當(dāng)然也有特殊設(shè)計(jì)的堿性電池能夠充電，甚至還能夠通過(guò)按壓電池表面顯示當(dāng)前電量。全球售出超過(guò)100億顆。
1989年，第一款商業(yè)鎳氫電池問(wèn)世（陽(yáng)極為金屬氫化物或儲(chǔ)氫合金、陰極為氫氧化鎳），耗時(shí)超過(guò)20年研發(fā)，由戴姆勒-奔馳和德國(guó)大眾贊助。通過(guò)新的配方，鎳氫電池相較于鎳鎘電池提高了能量密度，并且污染減少。更緊要的一點(diǎn)，鎳氫電池沒(méi)有“記憶效應(yīng)”，所以不必像鎳鎘電池相同擔(dān)心使用問(wèn)題。除了大量被使用于數(shù)碼產(chǎn)品之外，還被早期的豐田Prius混動(dòng)車(chē)所采用。
1991年，索尼公司推出了第一款商業(yè)鋰離子電池（陽(yáng)極為石墨，陰極為鋰化合物，電極液為鋰鹽溶于有機(jī)溶劑），由于鋰離子電池的高能量密度和配方不同能夠適應(yīng)不同使用環(huán)境的特點(diǎn)，被今朝廣泛使用。
上述多種電池歷經(jīng)200年歷史才走到鋰離子電池階段，其目的就是為了更為輕便、小巧、能量更高，期間很多人為此付出了巨大的努力。
諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)
鋰元素是由JohanAugustArfwedson于1817年發(fā)現(xiàn)的。鋰的特性決定了它非常適合做高能量密度、高電壓的電池。
但是由于鋰活性過(guò)于高，所以遇到水或者空氣都可能發(fā)生劇烈反應(yīng)以至于燃燒和爆炸，要怎么樣“馴服”它成為了電池發(fā)展的關(guān)鍵。此外，鋰作為陽(yáng)極時(shí)無(wú)可厚非的了，但是要怎么樣尋找一種適合作陰極的材料成為了研究著正向追逐的目標(biāo)。
1970年代爆發(fā)過(guò)一次石油危機(jī)，M·斯坦利·威廷漢（M.StanleyWhittingham）決定致力于研發(fā)新的能源科技擺脫石油的束縛。
一開(kāi)始他專注于研究超級(jí)導(dǎo)體，然而偶然發(fā)現(xiàn)了一種包含巨大能量的物質(zhì)，可以作為鋰離子電池的陰極。
經(jīng)過(guò)多年的試驗(yàn)和研究，M·斯坦利·威廷漢最終采用用硫化鈦鋰（LixTiS2）作為鋰離子電池的陰極材料，金屬鋰作為陽(yáng)極材料，制成了一款鋰離子電池。其電壓可達(dá)到2.5V，并且在幾乎不損失電量情況下循環(huán)1100次。但是，由于陽(yáng)極材料中含有金屬鋰，而它活性太高，該電池非常不穩(wěn)定，容易發(fā)生燃燒或爆炸情況。
那時(shí)，“大哥大”使用的就是這種電池，持有該技術(shù)的加拿大公司MoliEnergy，將產(chǎn)品問(wèn)世不到半年，就因?yàn)槠鸹鸨▎?wèn)題而全球召回，從此一蹶不振，后來(lái)被日本NEC公司收購(gòu)。但NEC公司經(jīng)過(guò)幾年的測(cè)試和摸索，終于弄清楚了出現(xiàn)問(wèn)題的重要原由，在使用過(guò)程，陽(yáng)極材料金屬里會(huì)發(fā)生“鋰枝晶”現(xiàn)象，使得陽(yáng)極材料變形導(dǎo)致可能碰到陰極材料引起短路。雖然找到了原由，但卻遲遲不得處理方法。
所以這款電池在商用研發(fā)的道路上，遇到了巨大障礙。
出現(xiàn)問(wèn)題后，科學(xué)家們想起了1938年Rüdorff提出的理論，“離子轉(zhuǎn)移電池”辦法（iontransfercellconfiguration）。于是決定采用一種材料可以替代金屬鋰作為陽(yáng)極材料——石墨，陽(yáng)極材料的目的就釋放電子，而石墨的特性可以使電子儲(chǔ)存在碳元素之間，雖然石墨相較于金屬鋰活性（儲(chǔ)存電子能力）差一些，但是更加安全。
基于此發(fā)展，約翰·b·古迪納夫（Johnb.Goodenough）也在研究陰極材料的改善，他預(yù)測(cè)氧化鋰化合物比硫化鋰化合物要更為適宜。
在經(jīng)過(guò)一系列的試驗(yàn)研究后，1980年，古迪納夫想外界展示了鈷酸鋰（LixCoO2）作為陰極的鋰離子電池。
由于采用了石墨作為陽(yáng)極，這款電池部分處理了“鋰枝晶”現(xiàn)象，戒備了內(nèi)部短路現(xiàn)象，又因?yàn)槠潢帢O材料的選取，將電壓提高至4V（甚至可以達(dá)到5V），總體來(lái)說(shuō)相較于威廷漢的鋰離子電池性能好很多、安全很多。
由于該思路過(guò)于前衛(wèi)，又或者是MoliEnergy的教訓(xùn)太過(guò)于慘痛，當(dāng)時(shí)沒(méi)有任何一家公司敢接古迪納夫的發(fā)明，甚至自己的母校牛津大學(xué)都不愿意為其申請(qǐng)專利。但索尼公司伸出了橄欖枝，將其技術(shù)使用于加工，幫助索尼一躍成為鋰離子電池行業(yè)老大。
然而有一位科學(xué)家認(rèn)為這還不夠，日本的吉野彰（AkiraYoshino）以古迪納夫的鋰離子電池為基礎(chǔ)，將陽(yáng)極材料從石墨改為了石油焦。
雖然同為碳元素組成，但是以此達(dá)到了輕量化和耐久性。這款電池能夠充放電幾百次也不失去性能。
其實(shí)從古迪納夫開(kāi)始，這兩種鋰離子電池已經(jīng)不是化學(xué)反應(yīng)萌生的電能，而是“單純”的陰陽(yáng)極之間的電子流動(dòng)萌生的，而這種能量純粹來(lái)自于外界充入的“過(guò)量”電子，存貯于兩極之間，用于做功，所以其實(shí)這兩款并不叫鋰離子電池，而是鋰離子電池（Lithium-ion）。
鋰離子電池的將來(lái)
從1991年鋰離子電池問(wèn)世以來(lái)，已經(jīng)經(jīng)歷了很多的變化，但基本上都是基于上述三位的研究成果而來(lái)。從小處看，鋰離子電池為方便生活、豐富生活供應(yīng)了可能，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，將來(lái)使用可繼續(xù)能源，例如風(fēng)電、水電、太陽(yáng)能是趨勢(shì)，鋰離子電池作為儲(chǔ)能設(shè)備，能夠?qū)⑦@些能源保存起來(lái)，并在要時(shí)候使用，使得發(fā)電裝置“去中心化”。
此外，隨著汽車(chē)逐漸開(kāi)始“電動(dòng)化”，鋰離子電池成為了汽車(chē)行業(yè)的“寵兒”。
車(chē)載鋰離子電池其使用特性與電子產(chǎn)品不同，例如手機(jī)電腦，其鋰離子電池設(shè)計(jì)之時(shí)考慮的就是“快速充電滿足日常使用，長(zhǎng)期性能不必過(guò)度考量”。但電動(dòng)汽車(chē)要求的是“多次循環(huán)性能不變、電量大、充電快”，其條件更為苛刻，在這其中其緊要性是按順序排列的，循環(huán)耐久性是最緊要、電量大和充電快差不多是一個(gè)量級(jí)。
所以關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)而言，其鋰離子電池的要求之高，使得各家廠商不斷再嘗試新材料或者新配方，以適應(yīng)市場(chǎng)需求。
目前較多采用的方法無(wú)非兩種，NCA811（鎳鈷鋁鋰離子電池，數(shù)字代表比例）和NCM811（鎳鈷錳鋰離子電池），不過(guò)由于專利原由和其他因素，NCA惟有特斯拉在采用，而NCM則是絕大多數(shù)廠商采用的方法。兩者各有利弊，NCA能量密度更高，但是NCM則更為安全。
將來(lái)隨著電動(dòng)汽車(chē)的愈發(fā)普及，鋰離子電池技術(shù)或許將會(huì)成為各大車(chē)企“重新洗牌”的關(guān)鍵部分。而伴隨著全球可繼續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)，鋰離子電池的緊要性也或許比肩于石油。
在諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C發(fā)后的委員會(huì)成員采訪中，記者問(wèn)道：“假如讓你30秒來(lái)描述鋰離子電池技術(shù)得獎(jiǎng)的原由，你會(huì)怎么說(shuō)？”
回答中有一句話讓筆者印象深刻是：“鋰離子電池很可能會(huì)對(duì)將來(lái)的發(fā)展帶來(lái)巨大的影響，其技術(shù)落地和使用為人們帶來(lái)了福音，但雖然技術(shù)與使用結(jié)合對(duì)人類來(lái)說(shuō)更加有意義，但也正是這些科學(xué)家孜孜不倦的研究才為這些帶來(lái)了可能，古迪納夫是諾貝爾獎(jiǎng)獲得者中最年長(zhǎng)的一位，97歲，但他每天仍然進(jìn)入研究所鉆研電池技術(shù)……”
1997年，一方面由于鈷酸鋰結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)時(shí)間時(shí)候后會(huì)發(fā)生“崩塌”，造成性能下降，另一方面鈷礦石非常昂貴，導(dǎo)致其成本太高。75歲的古迪納夫又發(fā)明出了“磷酸鐵鋰”材料的鋰離子電池，震驚了世界，此時(shí)他75歲。而當(dāng)古迪納夫90歲之時(shí)，他又做出了另一個(gè)決定，研究全固態(tài)電池技術(shù)……
古迪納夫曾說(shuō)過(guò)一句話：“我們有些人就像是烏龜，走得慢，一路掙脫，到了而立之年還找不到出路。但烏龜了解，他非得走下去。”
或許這些獲獎(jiǎng)?wù)叩木癫攀歉鼮閷氋F的財(cái)富吧。
