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電動時代,諾獎回饋的不僅是“光輝歲月” 還有電池產業的未來

作者:中國儲能網新聞中心 來源:電池聯盟 發布時間:2019-10-10 瀏覽:
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人類的偉大進程,離不開兩樣東西,即能源與科技。

能源是人類生存發展必不可少的物質基礎和保障,與水、空氣、糧食共同構成了人類賴以生存的必要條件。科技進步是推動人類文明進步與經濟發展的決定性力量。

20世紀以后,人類科技的發展創造如浩瀚星河,計算機與鋰電池的發明,成為影響人類最為深遠的科技之一。

人類利用能源的方式在繼柴薪向煤炭、煤炭向油氣的轉換基本完成之后,也逐步完成了由"薪柴時代"向"煤炭時代"、"煤炭時代"向"油氣時代"的過渡。

然而就在煤炭、石油等高碳能源利用帶來的生態環境問題日益嚴重時,人類應用能源的步伐又該何去何從呢?

無論是各國政府、企業巨頭還是研究機構,以及廣大的科學家,都不得不去探索全新的未知領域,電池技術由此進入人類的視線。

時至今日,電池被廣泛的應用于新能源汽車,手機、筆記本電腦、照相機等設備上,且隨著新能源汽車革命浪潮的到來,以及更多移動設備的出來,鋰電池技術還將有更大的突破量級。

歷史發展證明,電池行業將迎來一場顛覆性的變革,人類也將由此進入到一個全新的時代。

2019年10月9日下午5點45,瑞典皇家科學院宣布,2019年諾貝爾化學獎授予約翰·班寧斯特·古迪納夫(John. B. Goodenough)教授、斯坦利·惠廷漢姆(Stanley Whittingham)教授、吉野彰教授三人,以表彰他們為鋰電池發展所作的貢獻。

如今,功成名就,享譽全球的三位老人,他們的故事從20世紀中期開始。

1968年,27歲的斯坦利·惠廷漢姆來到美國,在斯坦福大學做了三年的固態電化學博士后研究員之后,被埃克森公司招致麾下,開始了他在電池領域的偉大生涯。

▲ 斯坦利·惠廷漢姆

1976年,斯坦利·惠廷漢姆和他的團隊制成了世界上第一塊可充電的鋰離子電池,完成了電池技術領域一次質的飛躍。

同年,54歲的約翰·班寧斯特·古迪納夫,從麻省理工林肯實驗室到英國牛津大學無機化學實驗室擔任主任。

斯坦利·惠廷漢姆與團隊的發明讓世界振奮,但電池充電燃燒和內部粉碎卻困擾著約翰·班寧斯特·古迪納夫。

帶著困擾,約翰·班寧斯特·古迪納夫推斷,斯坦利·惠廷漢姆采用了硫化鈦作為儲存鋰離子的正極材料,但充電時鋰離子會一直朝著負極方向轉移,當離開正極的鋰離子達到一定數量之時,硫化鈦正極材料就會因為被掏空而自我坍塌,要解決這個問題,就要找到一種更加堅固的物質來取代硫化鈦。

▲ 約翰·班寧斯特·古迪納夫

1980年,約翰·班寧斯特·古迪納夫找到了取代硫化鈦的最佳材料——鈷,由此用于可充電鋰離子電池正極的鈷酸鋰就此出現,其性能遠遠優于當時的任何材料,使用鈷酸鋰做正極材料的電池,是市場上任何同類電池載電量的幾倍,電池技術又向前邁出了實質性的一大步。

在鈷酸鋰電池誕生后的十年里,鋰離子電池的發展進程遇到了瓶頸,主要還是由于沒有找到合適的負極材料。打破這一技術瓶頸的,是來自日本的吉野彰。

▲ 吉野彰

1991年,索尼發布了第一款商用鋰離子電池——鈷酸鋰18650圓柱形鋰電池。做出決定性貢獻的正是吉野彰,他開創性的用石墨代替金屬鋰作為鋰電池的負極,結合鈷酸鋰正極,從根本上改善了鋰電池容量、循環壽命,以及降低了成本,為鋰電池的成功產業化加了一把柴。

鈷酸鋰電池雖然有著諸多優勢,但隨著大規模的應用,其缺點也開始暴露出來,首先就是成本高,其次是抗過充與循環性能差,最后是廢棄污染嚴重。

為了找到一種比鈷便宜,且更利于鋰離子高效運動結構的金屬,約翰·班寧斯特·古迪納夫與他的學生邁克·薩克雷又開始了尋找新的正極材料歷程。

1982年,邁克·薩克雷發明了一種開創性的錳基尖晶石,即錳酸鋰電池。

1993年,約翰·班寧斯特·古迪納夫和他的團隊組成了另外一種晶體結構——橄欖石,也就是我們常說的磷酸鐵鋰。

磷酸鐵鋰電池具備成本低、充放電效能高、使用壽命長、熱穩定性高等優勢,當時這種正極材料擁有巨大的市場潛力。

1996年,德州大學代表約翰·班寧斯特·古迪納夫實驗室向美國申請了專利并被批準,這項專利是磷酸鐵鋰電池的第一個基礎專利。

但由于各種原因,這項專利在2009年12月被歐洲專利局撤銷了授予德州大學對磷酸鐵鋰電池的歐洲專利擁有權,同時也裁決了約翰·班寧斯特·古迪納夫等人在歐洲不擁有該項專利的發明權。

隨水流年,歲月變遷。古語有云:人至七十古來稀。如今,已是九十七歲高齡的約翰·班寧斯特·古迪納夫老爺子依舊活躍在科技前沿,且帶著他的學生們“作戰”在學術一線,成為了諾貝爾獎歷史上年齡最高的獲獎者。

約翰·班寧斯特·古迪納夫老爺子現階段研究的重點是固態電池,他帶領的工程師團隊,研發出了全球首個全固態電解質鋰電池,具備更安全、更快的充電速率、更長的使用壽命等特性,在全球引起了廣泛關注。

約翰·班寧斯特·古迪納夫團隊表示,這一固態電池的能量密度至少是傳統鋰電池能量密度的三倍,同時還具備充放電壽命長、充電速度快的特性。

約翰·班寧斯特·古迪納夫老爺子是全球公認的“鋰電池之父”,可以說,沒有他就沒有鋰電池。

讓筆者最為敬佩的,不是約翰·班寧斯特·古迪納夫老爺子如今取得的諸多成就,而是老爺子積極、樂觀,以及將“活到老,學到老,做到老”付諸行動的處世態度。他說:“我才90多歲,我還有時間做我想做的。”  

寫在最后:

筆者在之前的文章中說過,只有掌控了行業的核心技術,根據消費者需求,打造屬于自己的優質產品,才能立于不敗之地。

就電池領域而言,鋰離子電池第一代鈷酸鋰與第二代磷酸鐵鋰和三元鋰的核心技術和專利都掌握在外國手里,我國由于起步較晚,因此沒有先發優勢。不能否認,我們在電池技術領域,慢了人家兩步。

很喜歡《中國合伙人》里成冬青的一句臺詞:“掉進水里不會被淹死,只有呆在水里才會。”也許這句話用到這兒不太恰當,筆者想說的是,慢了不要緊,只要努力追,也許不能超越,但總不至于被甩的太遠。

古人云:“不怕慢,就怕站。”面對如今慢人家兩拍的局面,我們可以通過提前布局,努力在下一代技術上實現“彎道超車”。

我們的研究,不一定要繞過別人的專利、或者推翻別人的專利,找到適合自己發展的方式與途徑也不失為一種好辦法。連牛頓都說自己是站在巨人的肩膀上成長起來的,何況普通人。

關鍵字:鋰電池

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