電動汽車之所以能夠在百年之后重返歷史舞臺,正是因為鋰離子電池發展史上英雄人物輩出,奇思妙想的劃時代技術突破,力挽狂瀾地給電動汽車續上了命。
2019年10月9日,諾貝爾化學獎揭曉,獲獎者為鋰電池領域的三位學者:約翰-班寧斯特-古迪納夫、惠廷漢姆和日本學者吉野彰。理由是因發展鋰電池領域所做的貢獻。
在頒獎結束之后,清華汽車系博士、知乎答主“張抗抗”第一時間在知乎撰文解讀三位科學家的貢獻、成就。以下為張抗抗撰文全文:
鋰電池的發明并不是人類科技樹的必然結果,而是一項奇跡。
如果沒有M. Stanley Whittingham與John B. Goodenough英雄史詩一般的貢獻,也許我們現在還生活在一個沒有鋰電池的世界里。
Goodenough老爺子已經年近百歲,依然奮戰在科研一線,再不給他發個諾貝爾獎可能就來不及了!
他拿這個獎可以說是眾望所歸!為什么這么說呢?來聽聽他們的故事吧!
鋰電池誕生前的電動汽車
電動汽車的發明其實比內燃機汽車更早,直到1912年還在市場份額上占有優勢。
后來由于電池技術進步緩慢而被歷史淘汰,墳頭草都有三尺高了! 正常來說,一項技術路線被淘汰后,永遠出頭之日,例如液晶電視vs等離子電視。
電動汽車之所以能夠在百年之后重返歷史舞臺,正是因為鋰離子電池發展史上英雄人物輩出,奇思妙想的劃時代技術突破,力挽狂瀾地給電動汽車續上了命。
能量密度,繞不開的“鋰”
1859年,法國人普蘭特于發明經典的鉛酸蓄電池,這是一款非常成功的發明,直到今天還被普遍使用。
鉛酸蓄電池結構
但是,如果把它用到車上,就會暴露出巨大的問題:能量密度太低!
有多低呢? 給出下面這張圖來直觀理解:左下角的Lead-Acid就是鉛酸蓄電池,與現在常用的NCM622鋰離子電池相比,重量能量密度與體積能量密度都低4倍左右。
鉛酸電池的能量密度在左下角
汽車的應用場景比較特殊:
一是對體積比較敏感,誰也不想犧牲座艙與后備箱空間來裝電池;
二是對重量比較敏感,若電池能量密度太低,可能就要面臨1噸的車+2噸的電池才能跑500公里的窘境,這不僅不經濟,從環保的角度來說也是不可接受的!
與鉛酸蓄電池相似,鎳隔電池、鎳氫電池的能量密度也沒改善多少。若沒有新的高能量密度電池,電動汽車將永無出頭之日。
能量密度為啥低呢?我們知道,電池充放電可以理解為氧化還原反應。
初中化學告訴我們:化學性質主要由最外層的電子決定,內層電子都是光吃飯不干活;電子很輕倒也沒啥,但為了電荷平衡,不干活的內層電子也需要配上很重的質子。
打開元素周期表,容易找到鉛(Pb)在第5排,有4層不干活的電子;鎳(Ni)在第4排,有3層不干活的電子。這就從原子的角度決定了:鉛酸電池、鎳隔電池、鎳氫電池的能量密度潛力都是有限的。
為了減少懶漢數量,提高整體效率,我們還是從元素周期表的前2行來找找潛力股:氫氦鋰鈹硼、碳氮氧氟氖。
有分析指出:氧與氟都是氧化劑,排除;氦、氖、氮都是惰性或準惰性氣體,排除;碳和氫其實就是石油,已經用過了,也做不成充電電池,排除。
那么就只剩下鋰、鈹、硼,它們的電子轉移數/原子量分別為14%、22%、28%。再考慮到兩個因素:
鋰電極電勢是全元素周期表最低:做成電池后電壓最高;若轉移同等數量電子(電流相同),對應的功率也最高。
鋰元素的儲量比較高:地殼中鋰元素的豐度比鈹和硼要高一個數量級。
可能還有其它因素,但我不清楚。不管怎么說,大家達成了一個共識:在造物主的這個時空次元中,能量密度最高的充電電池,大概率是基于鋰元素做出來的。
惠廷漢姆: “告別化學反應”的鋰離子電池
充電/放電伴隨著化學反應,例如鉛酸蓄電池在充電時:
在上面這個化學反應中,硫酸鉛變成了鉛單質與氧化鉛,意味著化學鍵的斷裂與重組、物質結構的巨大變化。
關于物質結構,大家熟悉的另外一個例子就是不同結構的碳:金剛石、石墨、C60、碳納米管。
早期的鋰電池在工作時,也是伴隨著化學鍵的斷裂與重組,這也就是所謂的“鋰轉化”(Conversion)。
負極通常為鋰金屬,發生的反應為:
這不就是導致電動汽車自燃的元兇“鋰枝晶”化學反應嗎?
在當前的鋰離子電池中,鋰枝晶現象僅在超快充、過充等極少數異常情形下才發生,就已經有如此大的危害。
早期鋰電池竟然以“鋰枝晶”為基本反應,把砒霜當成便飯來吃,豈不是非常危險?
事實的確如此,售出數百萬早期鋰電池的加拿大公司Moli Energy,一年之內發生數起安全事故而破產。日本NEC將Moli Energy收購之后研究發現:這種以“鋰枝晶”為基本反應的早期鋰電池,在5000次循環之后幾乎全部出現故障失效與安全事故。
以鋰金屬為負極的鋰電池,安全事故不是偶然是必然,不是個別是全部!這個結論將鋰電池打入冷宮,行業上下一遍悲觀。站在這個時間點,幾乎沒人會相信,幾十年后電動汽車又能重返舞臺。
如果“鋰轉化”(Conversion)的技術路線困難重重,那我們避開不就可以了嗎? 說的容易,要知道那時候所有的充電電池,包括鉛酸電池、鎳隔電池、鎳氫電池,都是基于“轉化”(Conversion)反應的!
時代在等待一位英雄,于是M. Stanley Whittingham(邁克爾·斯坦利·惠廷漢姆)出現了!
他指明了除“鋰轉化”(Conversion)之外的另外一個技術路徑:鋰嵌入(Intercalation)。
通俗易懂地講:以特殊的層狀材料作為宿主(hosts),鋰離子(Li+)作為客人(guests)可以較為隨意地嵌入(Intercalation)或脫出,基本不影響宿主的物質結構。
正負極材料均為好客的宿主,鋰離子可以來去自如
在鋰嵌入(Intercalation)系統中,鋰離子不必再經歷痛苦的轉化(Conversion)。“告別化學反應”之后,鋰離子變得瀟灑飄逸很多。
當然,必須嚴肅地指出:鋰嵌入(Intercalation)中鋰離子看起來僅發生了物理運動,但本質上依然是化學反應。
鋰嵌入(Intercalation)帶來很多好處,大大提高了充放電反應的可逆性;也避免使用鋰金屬作為負極,提高了安全性。
從鋰轉化”(Conversion)到鋰嵌入(Intercalation),是鋰電池的技術革命。因為這個貢獻,惠廷漢姆被稱為“鋰電之父”(Founding Father of rechargeable lithium ion battery)。
最后要提一下的是,鋰嵌入(Intercalation)在電極電勢上占優勢,但在能量密度上占劣勢。
很容易理解,若以鋰金屬作為負極儲存鋰離子,那材料利用率肯定很高。正因為如此,基于鋰轉化”(Conversion)的鋰金屬電池技術路線雖然困難重重,但為了更高能量密度的鋰電池,現在科學家們還是硬著頭皮前仆后繼地投入研究。
Goodenough先生:老驥伏櫪,志在千里
惠廷漢姆指明了鋰嵌入(Intercalation)的技術方向,但距離做出鋰離子電池還有很長的距離。鋰電池歷史上第二位英雄人物出場了,他的名字很特別: John Bannister Goodenough(約翰·班尼斯特·古迪納夫)。
以前讀論文,見到“Goodmann”(好人先生)就已經讓我足夠吃驚了,而這位巨匠的名字明顯更勝一籌:“Goodenough“(足夠好的先生)。
概括一下,Goodenough先生最讓人敬佩的是:年過半百才投入鋰電池研究,以一己之力發現了大部分關鍵正極材料:層狀結構的鈷酸鋰(LiCoO2 lattice structure)、尖晶石結構的錳酸鋰(LiMn2O4 spinel structure)、橄欖石結構的磷酸鐵鋰(LiFePO4 olivine structure)。
今年已經98歲,Goodenough先生依然奮戰在科研一線,希望為下一代鋰固態電池做出突破。
推動汽車電動化的其他人物/公司
惠廷漢姆和Goodenough的科研貢獻,奠定了鋰電池大發展的理論與技術基礎。
從歷史的角度來看,鋰電池的大發展光靠科研也不行,還必須依賴產業。產業界也涌現了不少英雄人物,限于篇幅,他們的故事在此只能用一句話概括。
推動汽車電動化的關鍵人物:
本田宗一郎:本田汽車創始人。上世紀70年代,在加州空氣資源委員會推行清潔空氣法案被通用汽車阻撓的時候,發明新型燃燒室技術幫助加州證明法案的合理性,使得排放法案得以繼續推行下去。
姊川文彥:東京電力高管。21世紀初,在美日汽車行業均不看好的環境下,聯合三菱汽車與斯馬魯汽車推行電動車計劃,間接促使日產推出聆風電動汽車。
伊隆馬斯克:與日產聆風幾乎同時,用大規模的松下18650電池成功造出市場歡迎的電動汽車。
推動鋰離子電池商用的關鍵公司:索尼
1991年,索尼發布了第一個商用鋰離子電池,后來被廣泛地用在相機、手機中。
鋰離子電池助力了消費電子行業,改變了整個世界;反過來,消費電子行業的巨大市場,也大大助力了鋰離子電池技術與產業的迅速發展。
如果沒有消費電子行業的助推,在21世紀初的時候,也許根本找不到可以達到電動汽車應用標準的鋰離子電池 —— 消費電子行業助力鋰離子電池從1進步到10,電動汽車行業才有機會在此基礎上繼續推進。
對電動汽車的發展來說,索尼也功不可沒。可悲的是,現在鋰電行業已沒有索尼的身影:索尼總是超前地做出驚艷的產品與技術,但無法堅持到吃到勝利果實的一天。
小結
在汽車的AI(自動駕駛)、Connectivity(智能互聯)與e-tron(電力驅動)三個趨勢中,電力驅動技術給人心理上的沖擊,也許沒有自動駕駛那么大,猛一看顯得不算是“劃時代“的突破。
今天,我們已經習慣了鋰離子電池技術帶來的便利,覺得這項技術稀松平常,沒什么特別;但是,穿越到20世紀70年代,如果你說鋰離子電池將大規模應用于消費電子與汽車行業,大家也許會覺得你是個瘋子!
類比地,今天我們覺得自動駕駛技術驚駭世俗,但在30年后的人們眼中,可能也覺得這只是稀松平常的技術,沒什么特別。所以,我們不能憑借主觀上的沖擊力來判斷哪項技術“劃時代“,哪項技術很一般,而應該站在歷史的長周期角度來判斷。
如果站在歷史的長周期角度來看,鋰電池發展史,是人類不斷追求可充電電池理論極限的科技史。電力驅動的鋰離子電池關鍵技術的崛起,依賴于科研界與產業界的共同創新,過程中英雄故事數不勝數,才在極端不利的情形下找到一個突破口,幫助電動汽車百年之后重返歷史舞臺。
這簡直就是一個奇跡,稱之為“劃時代“并不夸張。
本文摘自:https://www.zhihu.com/question/349705396/answer/851070593
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