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“锂电池之父”获2019诺贝尔化学奖 他们创造了一个可充电的世界

2019-10-15 14:44:52  来源:中国汽车时报网     编辑:郑叶艳

近120年历史的诺贝尔奖,每次颁奖总是令人心潮激荡,吸引无数热切的目光。

10月9日,从瑞典皇家科学院传来消息,“锂离子电池之父”约翰·巴尼斯特·古迪纳夫等3人,荣获2019年诺贝尔化学奖。“他们创造了一个可充电的世界。”诺贝尔奖委员会在颁奖词中说,“锂离子电池自1991年进入市场以来,已经彻底改变了我们的生活,为无线、无化石燃料的社会奠定了基础,为人类带来了最大效益。”

“时至今日,锂电池不仅改写了汽车的发展史,也为汽车的未来发展构筑了良好基础。”湖南大学材料科学与工程学院教授黄宏文在接受《中国汽车报》记者采访时表示。

■三位科学家走向同一目标电池发明改变汽车发展方向

今年获得诺贝尔化学奖的三人,分别是97岁的美国德州大学奥斯汀分校机械工程和材料科学教授约翰·巴尼斯特·古迪纳夫、77岁的纽约州立大学宾汉姆顿大学材料研究所和材料科学与工程专业主任迈克尔·斯坦利·威廷汉、71岁的日本名城大学教授吉野彰。三人发明锂电池的过程,充满了戏剧性的故事。

古迪纳夫出生于1922年7月25日。据说其少年时有阅读障碍,却酷爱文学与哲学,但最终以优异成绩从耶鲁大学数学系毕业,后获得芝加哥大学物理学博士学位。1952到1976年,古迪纳夫在林肯实验室工作期间,研究了锂离子的移动,冥冥之中为以后的发明奠定了基础。在此期间,他发现了铁氧体磁芯的电流重合记忆功能,这是电子计算机内存技术的基础,也是今天智能网联汽车不可或缺的重要部件。

20世纪70年代,正赶上石油危机,科学界纷纷寻找新的替代能源。1976年,54岁的古迪纳夫因科研经费被砍而失业,却意外被邀请到牛津大学担任教授。当时,供职于埃克森公司的英国化学家威廷汉已经采用硫化钛作为正极材料,金属锂作为负极材料,制成了首个锂离子电池。不过,这种锂电池只有2伏特电压,而且极其容易在充放电过程中起火爆炸,没有应用价值。古迪纳夫经过反复实验,证明了钴酸锂作为阴极材料可以产生更高的电压,而且这样的锂电池安全性显著改善,具备商业价值。

几乎与此同时,日本正在寻找质量轻便且能反复充电的电池。日本旭化成株式会社的研究员吉野彰对此探索多年,当他读到古迪纳夫关于钴酸锂材料的论文时深受启发。经过努力,吉野彰应用古迪纳夫的学术成果设计了锂离子电池,并确立了锂离子电池的基本概念和技术范式。他于1986年发明了产品化的锂离子电池,并于1991年上市销售。从此,手机、电脑的体积大幅缩小,并且由此催生了电动汽车。

此后,许许多多研究人员顺着元素周期表展开了探索,试图找到性能更优良的电极材料,但都没有成功。不过,锂离子电池也一直在科学家们的手中不断“进化”。1997年,75岁的古迪纳夫又发明了磷酸铁锂电池。

锂离子电池的应用,使诞生百余年的汽车终于甩掉了油箱,改写了传统汽车从蒸汽到燃油都是靠活塞发动机的历史,有了使用清洁能源的电动汽车,从而减少了温室气体和颗粒物的排放,这对于人类文明的发展和延续功勋卓著。

如今,97岁高龄的古迪纳夫仍然在从事研究,他希望能研发出高能量密度、高安全性的固态电池。他说:“我才90多岁,还有时间。我想创造一个更清洁、更美好的世界。”

■磷酸铁锂和三元齐头并进汽车进入电驱动时代

诺贝尔奖获得者发明的动力电池,如今已成为电动汽车的“心脏”。正如国务院发展研究中心产经部副部长石耀东所言,今年诺贝尔化学奖授予电化学项目,让世界进入“可充电”时代。不仅是汽车、移动出行领域,这令整个世界有了对进入电驱动时代的全新理解。

目前,在汽车的动力电池领域,诺贝尔获奖者研发的三元锂电池与磷酸铁锂电池都在应用。不过,分析两类电池的发展特性,虽都有优点,也还存在不足。

首先,磷酸铁锂电池的安全系数较高,其热失控温度一般在500℃以上,而三元锂电池的临界点低于300℃,一些高镍三元锂电池更是低至200℃。

其次,磷酸铁锂电池具有成本优势。磷酸铁锂电池的循环充电次数可达3500次,几乎是三元锂电池2000次的近2倍,其使用的金属材料都不是贵金属,可节省电池成本,相对来说,三元锂电池成本则较高。

第四,三元锂电池能量密度近年来有了较大提升,可达300Wh/kg,如今的纯电动汽车续驶里程已达到500到600公里左右。而磷酸铁锂电池的能量密度有待提升。

第五,三元锂电池的环境适应能力更强,即使在-30℃条件下,仍可保持正常电池容量。磷酸铁锂电池抗低温能力则较差,在气温低于-10℃的低温条件下,磷酸铁锂电池衰减得非常快。

这些并存的优缺点,正激励着全球各国展开激烈的竞争。“从全球范围来看,目前车载锂离子动力电池产业的竞争主要集中在中、日、韩等国。”上海交通大学电气工程系教授唐厚君表示。目前,日本的松下,韩国的三星、SK、LG化学,中国的宁德时代、比亚迪,都在动力电池领域占据着较大的市场份额,也是全球公认的动力电池领域的头部企业。

数据显示,今年上半年,宁德时代的营业收入为202.64亿元,净利润高达21.02亿元;国内动力电池装机量排名第二的比亚迪,目前除了积极扩产,也在三元锂电池和磷酸铁锂电池上同时发力。不过,也应看到,挑战无处不在。一方面,日韩电池企业正在加快重返中国市场;另一方面,整车厂比如大众集团开始涉足电池制造,以此来完善产业链布局,竞争态势正在发生新的变化。

挑战和竞争促使全球车企在动力电池的研发上一直向前,他们如今正试图站在巨人的肩上,实现更多创造。

■锂电池研发接力赛:固态电池成新宠

古迪纳夫正在研究的固态电池,是动力电池“进化”的重要方向之一。接过研发接力棒,全球车企都将目光盯在了固态电池上。

“固态电池等新技术已成为有实力车企竞相逐鹿的新领域。”中南大学化学化工学院教授刘洪涛表示,相较于目前使用的液态锂电池,不含液态电解质的固态电池优势很多,如高安全性能、高能量密度、循环寿命长、生产效率提高、具备柔性优势等。

在全球范围内,日本、韩国、法国、美国等国家已加大研发力度,全球多家车企和电池厂家也发布了固态电池相关的研发进展。目前,丰田、松下、三星、三菱、宝马、大众、现代、戴森等企业均在加紧布局固态电池技术储备。日本更是将固态电池研发提升到国家战略高度。

在我国,2017年3月,工信部等四部委印发的《促进汽车动力电池产业发展行动方案》就提出,积极推动锂硫电池、金属空气电池、固态电池等新体系电池的研究和工程化开发,2020年单体电池比能量达到400Wh/kg以上、2025年达到500Wh/kg。

“不断解决技术瓶颈,对于固态电池向新能源汽车应用靠近是有利的。”吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室教授袁宏明表示,解决固态电池的应用技术问题是当务之急,其中包括固体电解质材料离子电导率偏低、体积能量密度需进一步提升、制备成本高等技术问题,都迫切需要研究突破。

随着汽车行业电动化浪潮愈演愈烈,大量资金和研究人员正汇聚在动力电池领域,或许在不久的将来,我们有望能看到更多具有开拓性的成果。

编辑:孙焕玉

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