中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：近120年歷史的諾貝爾獎(jiǎng)，每次頒獎(jiǎng)總是令人心潮激蕩，吸引無(wú)數(shù)熱切的目光。
10月9日，從瑞典皇家科學(xué)院傳來(lái)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(jiǎng)?！八麄儎?chuàng)造了一個(gè)可充電的世界?！敝Z貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)在頒獎(jiǎng)詞中說(shuō)，“鋰離子電池自1991年進(jìn)入市場(chǎng)以來(lái)，已經(jīng)徹底改變了我們的生活，為無(wú)線、無(wú)化石燃料的社會(huì)奠定了基礎(chǔ)，為人類(lèi)帶來(lái)了最大效益?！?
“時(shí)至今日，鋰電池不僅改寫(xiě)了汽車(chē)的發(fā)展史，也為汽車(chē)的未來(lái)發(fā)展構(gòu)筑了良好基礎(chǔ)?！焙洗髮W(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授黃宏文在接受《中國(guó)汽車(chē)報(bào)》記者采訪時(shí)表示。
■三位科學(xué)家走向同一目標(biāo) 電池發(fā)明改變汽車(chē)發(fā)展方向
今年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的三人，分別是97歲的美國(guó)德州大學(xué)奧斯汀分校機(jī)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(zhuān)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)明鋰電池的過(guò)程，充滿(mǎn)了戲劇性的故事。
古迪納夫出生于1922年7月25日。據(jù)說(shuō)其少年時(shí)有閱讀障礙，卻酷愛(ài)文學(xué)與哲學(xué)，但最終以?xún)?yōu)異成績(jī)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(shí)驗(yàn)室工作期間，研究了鋰離子的移動(dòng)，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(jì)算機(jī)內(nèi)存技術(shù)的基礎(chǔ)，也是今天智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)不可或缺的重要部件。
20世紀(jì)70年代，正趕上石油危機(jī)，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(fèi)被砍而失業(yè)，卻意外被邀請(qǐng)到牛津大學(xué)擔(dān)任教授。當(dāng)時(shí)，供職于埃克森公司的英國(guó)化學(xué)家威廷漢已經(jīng)采用硫化鈦?zhàn)鳛檎龢O材料，金屬鋰作為負(fù)極材料，制成了首個(gè)鋰離子電池。不過(guò)，這種鋰電池只有2伏特電壓，而且極其容易在充放電過(guò)程中起火爆炸，沒(méi)有應(yīng)用價(jià)值。古迪納夫經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，證明了鈷酸鋰作為陰極材料可以產(chǎn)生更高的電壓，而且這樣的鋰電池安全性顯著改善，具備商業(yè)價(jià)值。
幾乎與此同時(shí)，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(huì)社的研究員吉野彰對(duì)此探索多年，當(dāng)他讀到古迪納夫關(guān)于鈷酸鋰材料的論文時(shí)深受啟發(fā)。經(jīng)過(guò)努力，吉野彰應(yīng)用古迪納夫的學(xué)術(shù)成果設(shè)計(jì)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(xiāo)售。從此，手機(jī)、電腦的體積大幅縮小，并且由此催生了電動(dòng)汽車(chē)。
此后，許許多多研究人員順著元素周期表展開(kāi)了探索，試圖找到性能更優(yōu)良的電極材料，但都沒(méi)有成功。不過(guò)，鋰離子電池也一直在科學(xué)家們的手中不斷“進(jìn)化”。1997年，75歲的古迪納夫又發(fā)明了磷酸鐵鋰電池。
鋰離子電池的應(yīng)用，使誕生百余年的汽車(chē)終于甩掉了油箱，改寫(xiě)了傳統(tǒng)汽車(chē)從蒸汽到燃油都是靠活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的歷史，有了使用清潔能源的電動(dòng)汽車(chē)，從而減少了溫室氣體和顆粒物的排放，這對(duì)于人類(lèi)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(shuō)：“我才90多歲，還有時(shí)間。我想創(chuàng)造一個(gè)更清潔、更美好的世界?！?
■磷酸鐵鋰和三元齊頭并進(jìn) 汽車(chē)進(jìn)入電驅(qū)動(dòng)時(shí)代
諾貝爾獎(jiǎng)獲得者發(fā)明的動(dòng)力電池，如今已成為電動(dòng)汽車(chē)的“心臟”。正如國(guó)務(wù)院發(fā)展研究中心產(chǎn)經(jīng)部副部長(zhǎng)石耀東所言，今年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予電化學(xué)項(xiàng)目，讓世界進(jìn)入“可充電”時(shí)代。不僅是汽車(chē)、移動(dòng)出行領(lǐng)域，這令整個(gè)世界有了對(duì)進(jìn)入電驅(qū)動(dòng)時(shí)代的全新理解。
目前，在汽車(chē)的動(dòng)力電池領(lǐng)域，諾貝爾獲獎(jiǎng)?wù)哐邪l(fā)的三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池都在應(yīng)用。不過(guò)，分析兩類(lèi)電池的發(fā)展特性，雖都有優(yōu)點(diǎn)，也還存在不足。
首先，磷酸鐵鋰電池的安全系數(shù)較高，其熱失控溫度一般在500℃以上，而三元鋰電池的臨界點(diǎn)低于300℃，一些高鎳三元鋰電池更是低至200℃。
其次，磷酸鐵鋰電池具有成本優(yōu)勢(shì)。磷酸鐵鋰電池的循環(huán)充電次數(shù)可達(dá)3500次，幾乎是三元鋰電池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(duì)來(lái)說(shuō)，三元鋰電池成本則較高。
第四，三元鋰電池能量密度近年來(lái)有了較大提升，可達(dá)300Wh/kg，如今的純電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程已達(dá)到500到600公里左右。而磷酸鐵鋰電池的能量密度有待提升。
第五，三元鋰電池的環(huán)境適應(yīng)能力更強(qiáng)，即使在-30℃條件下，仍可保持正常電池容量。磷酸鐵鋰電池抗低溫能力則較差，在氣溫低于-10℃的低溫條件下，磷酸鐵鋰電池衰減得非常快。
這些并存的優(yōu)缺點(diǎn)，正激勵(lì)著全球各國(guó)展開(kāi)激烈的競(jìng)爭(zhēng)?！皬娜蚍秶鷣?lái)看，目前車(chē)載鋰離子動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)主要集中在中、日、韓等國(guó)?！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(guó)的三星、SK、LG化學(xué)，中國(guó)的寧德時(shí)代、比亞迪，都在動(dòng)力電池領(lǐng)域占據(jù)著較大的市場(chǎng)份額，也是全球公認(rèn)的動(dòng)力電池領(lǐng)域的頭部企業(yè)。
數(shù)據(jù)顯示，今年上半年，寧德時(shí)代的營(yíng)業(yè)收入為202.64億元，凈利潤(rùn)高達(dá)21.02億元；國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池裝機(jī)量排名第二的比亞迪，目前除了積極擴(kuò)產(chǎn)，也在三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池上同時(shí)發(fā)力。不過(guò)，也應(yīng)看到，挑戰(zhàn)無(wú)處不在。一方面，日韓電池企業(yè)正在加快重返中國(guó)市場(chǎng)；另一方面，整車(chē)廠比如大眾集團(tuán)開(kāi)始涉足電池制造，以此來(lái)完善產(chǎn)業(yè)鏈布局，競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)正在發(fā)生新的變化。
挑戰(zhàn)和競(jìng)爭(zhēng)促使全球車(chē)企在動(dòng)力電池的研發(fā)上一直向前，他們?nèi)缃裾噲D站在巨人的肩上，實(shí)現(xiàn)更多創(chuàng)造。
■鋰電池研發(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(dòng)力電池“進(jìn)化”的重要方向之一。接過(guò)研發(fā)接力棒，全球車(chē)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(shí)力車(chē)企競(jìng)相逐鹿的新領(lǐng)域。”中南大學(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)鋰電池，不含液態(tài)電解質(zhì)的固態(tài)電池優(yōu)勢(shì)很多，如高安全性能、高能量密度、循環(huán)壽命長(zhǎng)、生產(chǎn)效率提高、具備柔性?xún)?yōu)勢(shì)等。
在全球范圍內(nèi)，日本、韓國(guó)、法國(guó)、美國(guó)等國(guó)家已加大研發(fā)力度，全球多家車(chē)企和電池廠家也發(fā)布了固態(tài)電池相關(guān)的研發(fā)進(jìn)展。目前，豐田、松下、三星、三菱、寶馬、大眾、現(xiàn)代、戴森等企業(yè)均在加緊布局固態(tài)電池技術(shù)儲(chǔ)備。日本更是將固態(tài)電池研發(fā)提升到國(guó)家戰(zhàn)略高度。
在我國(guó)，2017年3月，工信部等四部委印發(fā)的《促進(jìn)汽車(chē)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)方案》就提出，積極推動(dòng)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(kāi)發(fā)，2020年單體電池比能量達(dá)到400Wh/kg以上、2025年達(dá)到500Wh/kg。
“不斷解決技術(shù)瓶頸，對(duì)于固態(tài)電池向新能源汽車(chē)應(yīng)用靠近是有利的?！奔执髮W(xué)無(wú)機(jī)合成與制備化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授袁宏明表示，解決固態(tài)電池的應(yīng)用技術(shù)問(wèn)題是當(dāng)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(jìn)一步提升、制備成本高等技術(shù)問(wèn)題，都迫切需要研究突破。
隨著汽車(chē)行業(yè)電動(dòng)化浪潮愈演愈烈，大量資金和研究人員正匯聚在動(dòng)力電池領(lǐng)域，或許在不久的將來(lái)，我們有望能看到更多具有開(kāi)拓性的成果。
