鉅大LARGE | 點擊量：473次 | 2022年10月25日
"鋰電池之父"創(chuàng)造了一個可充電的世界
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(shù)熱切的目光。
十月九日，從瑞典皇家科學(xué)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(xué)獎。“他們創(chuàng)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(jīng)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(chǔ)，為人類帶來了最大效益。”
“時至今日，鋰離子電池不僅改寫了汽車的發(fā)展史，也為汽車的未來發(fā)展構(gòu)筑了良好基礎(chǔ)。”湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授黃宏文在接受《我國汽車報》記者采訪時表示。
■三位科學(xué)家走向同一目標電池發(fā)明改變汽車發(fā)展方向
今年獲得諾貝爾化學(xué)獎的三人，分別是97歲的美國德州大學(xué)奧斯汀分校機械工程和材料科學(xué)教授約翰·巴尼斯特·古迪納夫、77歲的紐約州立大學(xué)賓漢姆頓大學(xué)材料研究所和材料科學(xué)與工程專業(yè)主任邁克爾·斯坦利·威廷漢、71歲的日本名城大學(xué)教授吉野彰。三人發(fā)明鋰離子電池的過程，充滿了戲劇性的故事。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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%
古迪納夫出生于1922年七月二十五日。據(jù)說其少年時有閱讀障礙，卻酷愛文學(xué)與哲學(xué)，但最終以優(yōu)異成績從耶魯大學(xué)數(shù)學(xué)系畢業(yè)，后獲得芝加哥大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)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(fā)明奠定了基礎(chǔ)。在此期間，他發(fā)現(xiàn)了鐵氧體磁芯的電流重合記憶功能，這是電子計算機內(nèi)存技術(shù)的基礎(chǔ)，也是今天智能網(wǎng)聯(lián)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(xué)界紛紛尋找新的替代能源。1976年，54歲的古迪納夫因科研經(jīng)費被砍而失業(yè)，卻意外被邀請到牛津大學(xué)擔(dān)任教授。當時，供職于埃克森公司的英國化學(xué)家威廷漢已經(jīng)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，這種鋰離子電池只有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(yīng)用價值。古迪納夫經(jīng)過反復(fù)實驗，證明了鈷酸鋰作為陰極材料可以出現(xiàn)更高的電壓，而且這樣的鋰離子電池安全性顯著改善，具備商業(yè)價值。
幾乎與此同時，日本正在尋找質(zhì)量輕便且能反復(fù)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，當他讀到古迪納夫有關(guān)鈷酸鋰材料的論文時深受啟發(fā)。經(jīng)過努力，吉野彰應(yīng)用古迪納夫的學(xué)術(shù)成果設(shè)計了鋰離子電池，并確立了鋰離子電池的基本概念和技術(shù)范式。他于1986年發(fā)明了產(chǎn)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(yōu)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(xué)家們的手中不斷“進化”。1997年，75歲的古迪納夫又發(fā)明了磷酸鐵鋰離子電池。
鋰離子電池的應(yīng)用，使誕生百余年的汽車終于甩掉了油箱，改寫了傳統(tǒng)汽車從蒸汽到燃油都是靠活塞發(fā)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，這有關(guān)人類文明的發(fā)展和延續(xù)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(fā)出高能量密度、高安全性的固態(tài)電池。他說：“我才90多歲，還有時間。我想創(chuàng)造一個更清潔、更美好的世界?！?/p>
■磷酸鐵鋰和三元齊頭并進汽車進入電驅(qū)動時代
諾貝爾獎獲得者發(fā)明的動力鋰離子電池，如今已成為電動汽車的“心臟”。正如國務(wù)院發(fā)展研究中心產(chǎn)經(jīng)部副部長石耀東所言，今年諾貝爾化學(xué)獎授予電化學(xué)項目，讓世界進入“可充電”時代。不僅是汽車、移動出行領(lǐng)域，這令整個世界有了對進入電驅(qū)動時代的全新理解。
目前，在汽車的動力鋰離子電池領(lǐng)域，諾貝爾獲獎?wù)哐邪l(fā)的三元鋰離子電池與磷酸鐵鋰離子電池都在應(yīng)用。不過，分析兩類電池的發(fā)展特性，雖都有優(yōu)點，也還存在不足。
首先，磷酸鐵鋰離子電池的安全系數(shù)較高，其熱失控溫度一般在500℃以上，而三元鋰離子電池的臨界點低于300℃，一些高鎳三元鋰離子電池更是低至200℃。
其次，磷酸鐵鋰離子電池具有成本優(yōu)勢。磷酸鐵鋰離子電池的循環(huán)充電次數(shù)可達3500次，幾乎是三元鋰離子電池2000次的近2倍，其使用的金屬材料都不是貴金屬，可節(jié)省電池成本，相對來說，三元鋰離子電池成本則較高。
第四，三元鋰離子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(xù)駛里程已達到500到600公里左右。而磷酸鐵鋰離子電池的能量密度有待提升。
第五，三元鋰離子電池的環(huán)境適應(yīng)能力更強，即使在-30℃條件下，仍可保持正常電池容量。磷酸鐵鋰離子電池抗低溫能力則較差，在氣溫低于-10℃的低溫條件下，磷酸鐵鋰離子電池衰減得非常快。
這些并存的優(yōu)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鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的競爭重要集中在中、日、韓等國?！鄙虾＝煌ù髮W(xué)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(xué)，我國的寧德時代、比亞迪，都在動力鋰離子電池領(lǐng)域占據(jù)著較大的市場份額，也是全球公認的動力鋰離子電池領(lǐng)域的頭部公司。
數(shù)據(jù)顯示，今年上半年，寧德時代的營業(yè)收入為202.64億元，凈利潤高達21.02億元；國內(nèi)動力鋰離子電池裝機量排名第二的比亞迪，目前除了積極擴產(chǎn)，也在三元鋰離子電池和磷酸鐵鋰離子電池上同時發(fā)力。不過，也應(yīng)看到，挑戰(zhàn)無處不在。一方面，日韓電池公司正在加快重返我國市場；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(chǎn)業(yè)鏈布局，競爭態(tài)勢正在發(fā)生新的變化。
挑戰(zhàn)和競爭促使全球車企在動力鋰離子電池的研發(fā)上一直向前，他們?nèi)缃裾噲D站在巨人的肩上，實現(xiàn)更多創(chuàng)造。
■鋰離子電池研發(fā)接力賽：固態(tài)電池成新寵
古迪納夫正在研究的固態(tài)電池，是動力鋰離子電池“進化”的重要方向之一。接過研發(fā)接力棒，全球車企都將目光盯在了固態(tài)電池上。
“固態(tài)電池等新技術(shù)已成為有實力車企競相逐鹿的新領(lǐng)域?！敝心洗髮W(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授劉洪濤表示，相較于目前使用的液態(tài)鋰離子電池，不含液態(tài)電解質(zhì)的固態(tài)電池優(yōu)勢很多，如高安全性能、高能量密度、循環(huán)壽命長、生產(chǎn)效率提高、具備柔性優(yōu)勢等。
在全球范圍內(nèi)，日本、韓國、法國、美國等國家已加大研發(fā)力度，全球多家車企和電池廠家也公布了固態(tài)電池相關(guān)的研發(fā)進展。目前，豐田、松下、三星、三菱、寶馬、大眾、現(xiàn)代、戴森等公司均在加緊布局固態(tài)電池技術(shù)儲備。日本更是將固態(tài)電池研發(fā)提升到國家戰(zhàn)略高度。
在我國，2017年三月，工信部等四部委印發(fā)的《促進汽車動力鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方法》就提出，積極推動鋰硫電池、金屬空氣電池、固態(tài)電池等新體系電池的研究和工程化開發(fā)，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(shù)瓶頸，有關(guān)固態(tài)電池向新能源汽車應(yīng)用靠近是有利的?！奔执髮W(xué)無機合成與制備化學(xué)國家重點實驗室教授袁宏明表示，解決固態(tài)電池的應(yīng)用技術(shù)問題是當務(wù)之急，其中包括固體電解質(zhì)材料離子電導(dǎo)率偏低、體積能量密度需進一步提升、制備成本高等技術(shù)問題，都迫切要研究突破。
隨著汽車行業(yè)電動化浪潮愈演愈烈，大量資金和研究人員正匯聚在動力鋰離子電池領(lǐng)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。
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