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电动时代,诺奖回馈的不仅是“光辉岁月” 还有电池产业的未来

作者:中国储能网新闻中心 来源:电池联盟 发布时间:2019-10-10 浏览:
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人类的伟大进程,离不开两样东西,即能源与科技。

能源是人类生存发展必不可少的物质基础和保障,与水、空气、粮食共同构成了人类赖以生存的必要条件。科技进步是推动人类文明进步与经济发展的决定性力量。

20世纪以后,人类科技的发展创造如浩瀚星河,计算机与锂电池的发明,成为影响人类最为深远的科技之一。

人类利用能源的方式在继柴薪向煤炭、煤炭向油气的转换基本完成之后,也逐步完成了由"薪柴时代"向"煤炭时代"、"煤炭时代"向"油气时代"的过渡。

然而就在煤炭、石油等高碳能源利用带来的生态环境问题日益严重时,人类应用能源的步伐又该何去何从呢?

无论是各国政府、企业巨头还是研究机构,以及广大的科学家,都不得不去探索全新的未知领域,电池技术由此进入人类的视线。

时至今日,电池被广泛的应用于新能源汽车,手机、笔记本电脑、照相机等设备上,且随着新能源汽车革命浪潮的到来,以及更多移动设备的出来,锂电池技术还将有更大的突破量级。

历史发展证明,电池行业将迎来一场颠覆性的变革,人类也将由此进入到一个全新的时代。

2019年10月9日下午5点45,瑞典皇家科学院宣布,2019年诺贝尔化学奖授予约翰·班宁斯特·古迪纳夫(John. B. Goodenough)教授、斯坦利·惠廷汉姆(Stanley Whittingham)教授、吉野彰教授三人,以表彰他们为锂电池发展所作的贡献。

如今,功成名就,享誉全球的三位老人,他们的故事从20世纪中期开始。

1968年,27岁的斯坦利·惠廷汉姆来到美国,在斯坦福大学做了三年的固态电化学博士后研究员之后,被埃克森公司招致麾下,开始了他在电池领域的伟大生涯。

▲ 斯坦利·惠廷汉姆

1976年,斯坦利·惠廷汉姆和他的团队制成了世界上第一块可充电的锂离子电池,完成了电池技术领域一次质的飞跃。

同年,54岁的约翰·班宁斯特·古迪纳夫,从麻省理工林肯实验室到英国牛津大学无机化学实验室担任主任。

斯坦利·惠廷汉姆与团队的发明让世界振奋,但电池充电燃烧和内部粉碎却困扰着约翰·班宁斯特·古迪纳夫。

带着困扰,约翰·班宁斯特·古迪纳夫推断,斯坦利·惠廷汉姆采用了硫化钛作为储存锂离子的正极材料,但充电时锂离子会一直朝着负极方向转移,当离开正极的锂离子达到一定数量之时,硫化钛正极材料就会因为被掏空而自我坍塌,要解决这个问题,就要找到一种更加坚固的物质来取代硫化钛。

▲ 约翰·班宁斯特·古迪纳夫

1980年,约翰·班宁斯特·古迪纳夫找到了取代硫化钛的最佳材料——钴,由此用于可充电锂离子电池正极的钴酸锂就此出现,其性能远远优于当时的任何材料,使用钴酸锂做正极材料的电池,是市场上任何同类电池载电量的几倍,电池技术又向前迈出了实质性的一大步。

在钴酸锂电池诞生后的十年里,锂离子电池的发展进程遇到了瓶颈,主要还是由于没有找到合适的负极材料。打破这一技术瓶颈的,是来自日本的吉野彰。

▲ 吉野彰

1991年,索尼发布了第一款商用锂离子电池——钴酸锂18650圆柱形锂电池。做出决定性贡献的正是吉野彰,他开创性的用石墨代替金属锂作为锂电池的负极,结合钴酸锂正极,从根本上改善了锂电池容量、循环寿命,以及降低了成本,为锂电池的成功产业化加了一把柴。

钴酸锂电池虽然有着诸多优势,但随着大规模的应用,其缺点也开始暴露出来,首先就是成本高,其次是抗过充与循环性能差,最后是废弃污染严重。

为了找到一种比钴便宜,且更利于锂离子高效运动结构的金属,约翰·班宁斯特·古迪纳夫与他的学生迈克·萨克雷又开始了寻找新的正极材料历程。

1982年,迈克·萨克雷发明了一种开创性的锰基尖晶石,即锰酸锂电池。

1993年,约翰·班宁斯特·古迪纳夫和他的团队组成了另外一种晶体结构——橄榄石,也就是我们常说的磷酸铁锂。

磷酸铁锂电池具备成本低、充放电效能高、使用寿命长、热稳定性高等优势,当时这种正极材料拥有巨大的市场潜力。

1996年,德州大学代表约翰·班宁斯特·古迪纳夫实验室向美国申请了专利并被批准,这项专利是磷酸铁锂电池的第一个基础专利。

但由于各种原因,这项专利在2009年12月被欧洲专利局撤销了授予德州大学对磷酸铁锂电池的欧洲专利拥有权,同时也裁决了约翰·班宁斯特·古迪纳夫等人在欧洲不拥有该项专利的发明权。

随水流年,岁月变迁。古语有云:人至七十古来稀。如今,已是九十七岁高龄的约翰·班宁斯特·古迪纳夫老爷子依旧活跃在科技前沿,且带着他的学生们“作战”在学术一线,成为了诺贝尔奖历史上年龄最高的获奖者。

约翰·班宁斯特·古迪纳夫老爷子现阶段研究的重点是固态电池,他带领的工程师团队,研发出了全球首个全固态电解质锂电池,具备更安全、更快的充电速率、更长的使用寿命等特性,在全球引起了广泛关注。

约翰·班宁斯特·古迪纳夫团队表示,这一固态电池的能量密度至少是传统锂电池能量密度的三倍,同时还具备充放电寿命长、充电速度快的特性。

约翰·班宁斯特·古迪纳夫老爷子是全球公认的“锂电池之父”,可以说,没有他就没有锂电池。

让笔者最为敬佩的,不是约翰·班宁斯特·古迪纳夫老爷子如今取得的诸多成就,而是老爷子积极、乐观,以及将“活到老,学到老,做到老”付诸行动的处世态度。他说:“我才90多岁,我还有时间做我想做的。”  

写在最后:

笔者在之前的文章中说过,只有掌控了行业的核心技术,根据消费者需求,打造属于自己的优质产品,才能立于不败之地。

就电池领域而言,锂离子电池第一代钴酸锂与第二代磷酸铁锂和三元锂的核心技术和专利都掌握在外国手里,我国由于起步较晚,因此没有先发优势。不能否认,我们在电池技术领域,慢了人家两步。

很喜欢《中国合伙人》里成冬青的一句台词:“掉进水里不会被淹死,只有呆在水里才会。”也许这句话用到这儿不太恰当,笔者想说的是,慢了不要紧,只要努力追,也许不能超越,但总不至于被甩的太远。

古人云:“不怕慢,就怕站。”面对如今慢人家两拍的局面,我们可以通过提前布局,努力在下一代技术上实现“弯道超车”。

我们的研究,不一定要绕过别人的专利、或者推翻别人的专利,找到适合自己发展的方式与途径也不失为一种好办法。连牛顿都说自己是站在巨人的肩膀上成长起来的,何况普通人。

关键字:锂电池

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