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清华博士解读诺贝尔化学奖:锂电池的发明是人

时间:70-01-01 08:00 来源:

电动汽车之以是能够在百年之后重返历史舞台,恰是由于锂离子电池成长史上英雄人物辈出,奇思妙想的划期间技巧冲破,力挽狂澜地给电动汽车续上了命。

2019年10月9日,诺贝尔化学奖揭晓,获奖者为锂电池领域的三位学者:约翰-班宁斯特-古迪纳夫、惠廷汉姆和日本学者吉野彰。来由是因成长锂电池领域所做的供献。

在颁奖停止之后,清华汽车系博士、知乎答主“张抗抗”第一光阴在知乎撰文解读三位科学家的供献、成绩。以下为张抗抗撰文全文:

锂电池的发现并不是人类科技树的一定结果,而是一项事业。

假如没有M. Stanley Whittingham与John B. Goodenough英雄史诗一样平常的供献,大概我们现在还生活在一个没有锂电池的天下里。

Goodenough老爷子已经年近百岁,依然奋战在科研一线,再不给他发个诺贝尔奖可能就来不及了!

他拿这个奖可以说是众望所归!为什么这么说呢?来听听他们的故事吧!

锂电池出生前的电动汽车

电动汽车的发实际在比内燃机汽车更早,直到1912年还在市场份额上占领上风。

后情因为电池技巧进步迟钝而被历史淘汰,坟头草都有三尺高了! 正常来说,一项技巧路线被淘汰后,永世出头之日,例如液晶电视vs等离子电视。

电动汽车之以是能够在百年之后重返历史舞台,恰是由于锂离子电池成长史上英雄人物辈出,奇思妙想的划期间技巧冲破,力挽狂澜地给电动汽车续上了命。

能量密度,绕不开的“锂”

1859年,法国人普兰特于发现经典的铅酸蓄电池,这是一款异常成功的发现,直到本日还被普遍应用。

铅酸蓄电池布局

然则,假如把它用到车上,就会裸露出伟大年夜的问题:能量密度太低!

有多低呢? 给出下面这张图来直不雅理解:左下角的Lead-Acid便是铅酸蓄电池,与现在常用的NCM622锂离子电池比拟,重量能量密度与体积能量密度都低4倍阁下。

铅酸电池的能量密度在左下角

汽车的利用处景对照特殊:

一是对体积对照敏感,谁也不想就义座舱与后备箱空间来装电池;

二是对重量对照敏感,若电池能量密度太低,可能就要面临1吨的车+2吨的电池才能跑500公里的困境,这不仅不经济,从环保的角度来说也是弗成吸收的!

与铅酸蓄电池相似,镍隔电池、镍氢电池的能量密度也没改良若干。若没有新的高能量密度电池,电动汽车将永无出头之日。

能量密度为啥低呢?我们知道,电池充放电可以理解为氧化还原反映。

初中化学奉告我们:化学性子主要由最外层的电子抉择,内层电子都是光用饭不干活;电子很轻倒也没啥,但为了电荷平衡,不干活的内层电子也必要配上很重的质子。

打开元素周期表,轻易找到铅(Pb)在第5排,有4层不干活的电子;镍(Ni)在第4排,有3层不干活的电子。这就从原子的角度抉择了:铅酸电池、镍隔电池、镍氢电池的能量密度潜力都是有限的。

为了削减懒汉数量,前进整体效率,我们照样从元素周期表的前2行来找找潜力股:氢氦锂铍硼、碳氮氧氟氖。

有阐发指出:氧与氟都是氧化剂,扫除;氦、氖、氮都是惰性或准惰性气体,扫除;碳和氢着实便是煤油,已经用过了,也做不成充电电池,扫除。

那么就只剩下锂、铍、硼,它们的电子转移数/原子量分手为14%、22%、28%。再斟酌到两个身分:

锂电极电势是全元素周期表最低:做成电池后电压最高;若转移一致数量电子(电流相同),对应的功率也最高。

锂元素的储量对照高:地壳中锂元素的丰度比铍和硼要高一个数量级。

可能还有其它身分,但我不清楚。不管怎么说,大年夜家杀青了一个共识:在造物主的这个时空次元中,能量密度最高的充电电池,大年夜概率是基于锂元素做出来的。

惠廷汉姆: “拜别化学反映”的锂离子电池

充电/放电伴跟着化学反映,例如铅酸蓄电池在充电时:

在上面这个化学反映中,硫酸铅变成了铅单质与氧化铅,意味着化学键的断裂与重组、物质布局的伟大年夜变更。

关于物质布局,大年夜家认识的别的一个例子便是不合布局的碳:金刚石、石墨、C60、碳纳米管。

早期的锂电池在事情时,也是伴跟着化学键的断裂与重组,这也便是所谓的“锂转化”(Conversion)。

负极平日为锂金属,发生的反映为:

这不便是导致电动汽车自燃的首恶“锂枝晶”化学反映吗?

在当前的锂离子电池中,锂枝晶征象仅在超快充、过充等极少数非常情形下才发生,就已经有如斯大年夜的迫害。

早期锂电池竟然以“锂枝晶”为基础反映,把砒霜当成便饭来吃,岂不是异常危险?

事实切实着实如斯,售出数百万早期锂电池的加拿大年夜公司Moli Energy,一年之内发生数起安然变乱而破产。日本NEC将Moli Energy收购之后钻研发明:这种以“锂枝晶”为基础反映的早期锂电池,在5000次轮回之后险些整个呈现故障掉效与安然变乱。

以锂金属为负极的锂电池,安然变乱不是偶尔是一定,不是个别是整个!这个结论将锂电池打入冷宫,行业高低一遍消极。站在这个光阴点,险些没人会信托,几十年后电动汽车又能重返舞台。

假如“锂转化”(Conversion)的技巧路线艰苦重重,那我们避开不就可以了吗? 说的轻易,要知道那时刻所有的充电电池,包括铅酸电池、镍隔电池、镍氢电池,都是基于“转化”(Conversion)反映的!

期间在等待一位英雄,于是M. Stanley Whittingham(迈克尔·斯坦利·惠廷汉姆)呈现了!

他指清楚明了除“锂转化”(Conversion)之外的别的一个技巧路径:锂嵌入(Intercalation)。

普通易懂地讲:以特殊的层状材料作为宿主(hosts),锂离子(Li+)作为客人(guests)可以较为随意地嵌入(Intercalation)或脱出,基础不影响宿主的物质布局。

正负极材料均为好客的宿主,锂离子可以往来交往自若

在锂嵌入(Intercalation)系统中,锂离子不必再经历苦楚的转化(Conversion)。“拜别化学反映”之后,锂离子变得飘逸俊逸很多。

当然,必须严肃地指出:锂嵌入(Intercalation)中锂离子看起来仅发生了物理运动,但本色上依然是化学反映。

锂嵌入(Intercalation)带来很多好处,大年夜大年夜前进了充放电反映的可逆性;也避免应用锂金属作为负极,前进了安然性。

从锂转化”(Conversion)到锂嵌入(Intercalation),是锂电池的技巧革命。由于这个供献,惠廷汉姆被称为“锂电之父”(Founding Father of rechargeable lithium ion battery)。

着末要提一下的是,锂嵌入(Intercalation)在电极电势上占上风,但在能量密度上占劣势。

很轻易理解,若以锂金属作为负极储存锂离子,那材料使用率肯定很高。正由于如斯,基于锂转化”(Conversion)的锂金属电池技巧路线虽然艰苦重重,但为了更高能量密度的锂电池,现在科学家们照样硬着头皮前仆后继地投入钻研。

Goodenough老师:老骥伏枥,志在千里

惠廷汉姆指清楚明了锂嵌入(Intercalation)的技巧偏向,但间隔做出锂离子电池还有很长的间隔。锂电池历史上第二位英雄人物出场了,他的名字很分外: John Bannister Goodenough(约翰·班尼斯特·古迪纳夫)。

曩昔读论文,见到“Goodmann”(大好人老师)就已经让我足够吃惊了,而这位巨匠的名字显着更胜一筹:“Goodenough“(足够好的老师)。

概括一下,Goodenough老师最让人敬重的是:年过半百才投入锂电池钻研,以一己之力发清楚明了大年夜部分关键正极材料:层状布局的钴酸锂(LiCoO2 lattice structure)、尖晶石布局的锰酸锂(LiMn2O4 spinel structure)、橄榄石布局的磷酸铁锂(LiFePO4 olivine structure)。

今年已经98岁,Goodenough老师依然奋战在科研一线,盼望为下一代锂固态电池做出冲破。

推动汽车电动化的其他人物/公司

惠廷汉姆和Goodenough的科研供献,奠定了锂电池大年夜成长的理论与技巧根基。

从历史的角度来看,锂电池的大年夜成长光靠科研也不可,还必须依附财产。财产界也涌现了不少英雄人物,限于篇幅,他们的故事在此只能用一句话概括。

推动汽车电动化的关键人物:

本田宗一郎:本田汽车开创人。上世纪70年代,在加州空气资本委员会执行洁净空气法案被通用汽车阻止的时刻,发现新型燃烧室技巧赞助加州证实法案的合理性,使得排放法案得以继承执行下去。

姊川文彦:东京电力高管。21世纪初,在美日汽车行业均不看好的情况下,联合三菱汽车与斯马鲁汽车执行电动车计划,间接匆匆使日产推出聆风电动汽车。

伊隆马斯克:与日产聆风险些同时,用大年夜规模的松下18650电池成功造出市场迎接的电动汽车。

推动锂离子电池商用的关键公司:索尼

1991年,索尼宣布了第一个商用锂离子电池,后来被广泛地用在相机、手机中。

锂离子电池助力了破费电子行业,改变了全部天下;反过来,破费电子行业的伟大年夜市场,也大年夜大年夜助力了锂离子电池技巧与财产的迅速成长。

假如没有破费电子行业的助推,在21世纪初的时刻,大概根本找不到可以达到电动汽车利用标准的锂离子电池 —— 破费电子行业助力锂离子电池从1进步到10,电动汽车行业才有时机在此根基上继承推进。

对电动汽车的成长来说,索尼也功弗成没。可悲的是,现在锂电行业已没有索尼的身影:索尼老是超前地做出惊艳的产品与技巧,但无法坚持到吃到胜利果实的一天。

小结

在汽车的AI(自动驾驶)、Connectivity(智能互联)与e-tron(电力驱动)三个趋势中,电力驱动技巧给民生理上的冲击,大概没有自动驾驶那么大年夜,猛一看显得不算是“划期间“的冲破。

本日,我们已经习气了锂离子电池技巧带来的便利,感觉这项技巧稀松寻常,没什么分外;然则,穿越到20世纪70年代,假如你说锂离子电池将大年夜规模利用于破费电子与汽车行业,大年夜家大概会感觉你是个疯子!

类比地,本日我们感觉自动驾驶技巧惊骇世俗,但在30年后的人们眼中,可能也感觉这只是稀松寻常的技巧,没什么分外。以是,我们不能凭借主不雅上的冲击力来判断哪项技巧“划期间“,哪项技巧很一样平常,而应该站在历史的长周期角度来判断。

假如站在历史的长周期角度来看,锂电池成长史,是人类赓续追求可充电电池理论极限的科技史。电力驱动的锂离子电池关键技巧的崛起,依附于科研界与财产界的合营立异,历程中英雄故事数不胜数,才在极度晦气的情形下找到一个冲破口,赞助电动汽车百年之后重返历史舞台。

这的确便是一个事业,称之为“划期间“并不夸诞。

本文摘自:https://www.zhihu.com/question/349705396/answer/851070593

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