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清華博士解讀諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)：鋰電池的發(fā)明是人類科學(xué)史的一項(xiàng)奇跡

鴻凱智能 2019-10-10 | 閱讀：3093

電動(dòng)汽車之所以能夠在百年之后重返歷史舞臺(tái)，正是因?yàn)殇囯x子電池發(fā)展史上英雄人物輩出,，奇思妙想的劃時(shí)代技術(shù)突破,，力挽狂瀾地給電動(dòng)汽車?yán)m(xù)上了命。

2019年10月9日,，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)揭曉,，獲獎(jiǎng)?wù)邽殇囯姵仡I(lǐng)域的三位學(xué)者：約翰-班寧斯特-古迪納夫、惠廷漢姆和日本學(xué)者吉野彰,。理由是因發(fā)展鋰電池領(lǐng)域所做的貢獻(xiàn),。

在頒獎(jiǎng)結(jié)束之后,，清華汽車系博士、知乎答主“張抗抗”第一時(shí)間在知乎撰文解讀三位科學(xué)家的貢獻(xiàn),、成就,。以下為張抗抗撰文全文：

鋰電池的發(fā)明并不是人類科技樹的必然結(jié)果，而是一項(xiàng)奇跡,。

如果沒有M. Stanley Whittingham與John B. Goodenough英雄史詩一般的貢獻(xiàn),，也許我們現(xiàn)在還生活在一個(gè)沒有鋰電池的世界里。

Goodenough老爺子已經(jīng)年近百歲,，依然奮戰(zhàn)在科研一線,，再不給他發(fā)個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)可能就來不及了！

他拿這個(gè)獎(jiǎng)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(dòng)汽車

電動(dòng)汽車的發(fā)明其實(shí)比內(nèi)燃機(jī)汽車更早,，直到1912年還在市場份額上占有優(yōu)勢,。

后來由于電池技術(shù)進(jìn)步緩慢而被歷史淘汰，墳頭草都有三尺高了,！正常來說,，一項(xiàng)技術(shù)路線被淘汰后，永遠(yuǎn)出頭之日,，例如液晶電視vs等離子電視,。

能量密度,，繞不開的“鋰”

1859年,，法國人普蘭特于發(fā)明經(jīng)典的鉛酸蓄電池，這是一款非常成功的發(fā)明,，直到今天還被普遍使用,。

鉛酸蓄電池結(jié)構(gòu)

但是，如果把它用到車上,，就會(huì)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(xiàn)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(yīng)用場景比較特殊：

一是對(duì)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(duì)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(jīng)濟(jì),，從環(huán)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(dòng)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(yīng),。

初中化學(xué)告訴我們：化學(xué)性質(zhì)主要由最外層的電子決定，內(nèi)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(nèi)層電子也需要配上很重的質(zhì)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(shù)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(zhǔn)惰性氣體,，排除,；碳和氫其實(shí)就是石油，已經(jīng)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(zhuǎn)移數(shù)/原子量分別為14%、22%,、28%,。再考慮到兩個(gè)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(zhuǎn)移同等數(shù)量電子(電流相同),，對(duì)應(yīng)的功率也最高,。

鋰元素的儲(chǔ)量比較高：地殼中鋰元素的豐度比鈹和硼要高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

可能還有其它因素,，但我不清楚,。不管怎么說，大家達(dá)成了一個(gè)共識(shí)：在造物主的這個(gè)時(shí)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(xué)反應(yīng)”的鋰離子電池

充電/放電伴隨著化學(xué)反應(yīng),，例如鉛酸蓄電池在充電時(shí)：

在上面這個(gè)化學(xué)反應(yīng)中,，硫酸鉛變成了鉛單質(zhì)與氧化鉛，意味著化學(xué)鍵的斷裂與重組,、物質(zhì)結(jié)構(gòu)的巨大變化,。

關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)，大家熟悉的另外一個(gè)例子就是不同結(jié)構(gòu)的碳：金剛石,、石墨,、C60、碳納米管,。

早期的鋰電池在工作時(shí),，也是伴隨著化學(xué)鍵的斷裂與重組，這也就是所謂的“鋰轉(zhuǎn)化”(Conversion),。

負(fù)極通常為鋰金屬,，發(fā)生的反應(yīng)為：

這不就是導(dǎo)致電動(dòng)汽車自燃的元兇“鋰枝晶”化學(xué)反應(yīng)嗎？

在當(dāng)前的鋰離子電池中,，鋰枝晶現(xiàn)象僅在超快充,、過充等極少數(shù)異常情形下才發(fā)生，就已經(jīng)有如此大的危害,。

早期鋰電池竟然以“鋰枝晶”為基本反應(yīng),，把砒霜當(dāng)成便飯來吃,，豈不是非常危險(xiǎn)？

事實(shí)的確如此,，售出數(shù)百萬早期鋰電池的加拿大公司Moli Energy,，一年之內(nèi)發(fā)生數(shù)起安全事故而破產(chǎn)。日本NEC將Moli Energy收購之后研究發(fā)現(xiàn)：這種以“鋰枝晶”為基本反應(yīng)的早期鋰電池,，在5000次循環(huán)之后幾乎全部出現(xiàn)故障失效與安全事故,。

以鋰金屬為負(fù)極的鋰電池，安全事故不是偶然是必然,，不是個(gè)別是全部,！這個(gè)結(jié)論將鋰電池打入冷宮，行業(yè)上下一遍悲觀,。站在這個(gè)時(shí)間點(diǎn),，幾乎沒人會(huì)相信，幾十年后電動(dòng)汽車又能重返舞臺(tái),。

如果“鋰轉(zhuǎn)化”(Conversion)的技術(shù)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(shí)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(zhuǎn)化”(Conversion)反應(yīng)的！

時(shí)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(xiàn)了,！

他指明了除“鋰轉(zhuǎn)化”(Conversion)之外的另外一個(gè)技術(shù)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(zhì)結(jié)構(gòu)。

正負(fù)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(tǒng)中，鋰離子不必再經(jīng)歷痛苦的轉(zhuǎn)化(Conversion),?！案鎰e化學(xué)反應(yīng)”之后，鋰離子變得瀟灑飄逸很多,。

當(dāng)然,，必須嚴(yán)肅地指出：鋰嵌入(Intercalation)中鋰離子看起來僅發(fā)生了物理運(yùn)動(dòng)，但本質(zhì)上依然是化學(xué)反應(yīng),。

鋰嵌入(Intercalation)帶來很多好處,，大大提高了充放電反應(yīng)的可逆性；也避免使用鋰金屬作為負(fù)極，提高了安全性,。

從鋰轉(zhuǎn)化”(Conversion)到鋰嵌入(Intercalation),，是鋰電池的技術(shù)革命。因?yàn)檫@個(gè)貢獻(xiàn),，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(yōu)勢,，但在能量密度上占劣勢,。

很容易理解，若以鋰金屬作為負(fù)極儲(chǔ)存鋰離子,，那材料利用率肯定很高,。正因?yàn)槿绱耍阡囖D(zhuǎn)化”(Conversion)的鋰金屬電池技術(shù)路線雖然困難重重,，但為了更高能量密度的鋰電池,，現(xiàn)在科學(xué)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(shù)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(jīng)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(fā)現(xiàn)了大部分關(guān)鍵正極材料：層狀結(jié)構(gòu)的鈷酸鋰(LiCoO2 lattice structure),、尖晶石結(jié)構(gòu)的錳酸鋰(LiMn2O4 spinel structure)、橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰(LiFePO4 olivine structure),。

今年已經(jīng)98歲,，Goodenough先生依然奮戰(zhàn)在科研一線，希望為下一代鋰固態(tài)電池做出突破,。

推動(dòng)汽車電動(dòng)化的其他人物/公司

惠廷漢姆和Goodenough的科研貢獻(xiàn),，奠定了鋰電池大發(fā)展的理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

從歷史的角度來看,，鋰電池的大發(fā)展光靠科研也不行,，還必須依賴產(chǎn)業(yè)。產(chǎn)業(yè)界也涌現(xiàn)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(dòng)汽車電動(dòng)化的關(guān)鍵人物：

本田宗一郎：本田汽車創(chuàng)始人。上世紀(jì)70年代,，在加州空氣資源委員會(huì)推行清潔空氣法案被通用汽車阻撓的時(shí)候,，發(fā)明新型燃燒室技術(shù)幫助加州證明法案的合理性，使得排放法案得以繼續(xù)推行下去,。

姊川文彥：東京電力高管,。21世紀(jì)初，在美日汽車行業(yè)均不看好的環(huán)境下,，聯(lián)合三菱汽車與斯馬魯汽車推行電動(dòng)車計(jì)劃,，間接促使日產(chǎn)推出聆風(fēng)電動(dòng)汽車。

伊隆馬斯克：與日產(chǎn)聆風(fēng)幾乎同時(shí),，用大規(guī)模的松下18650電池成功造出市場歡迎的電動(dòng)汽車,。

推動(dòng)鋰離子電池商用的關(guān)鍵公司：索尼

1991年，索尼發(fā)布了第一個(gè)商用鋰離子電池,，后來被廣泛地用在相機(jī),、手機(jī)中。

鋰離子電池助力了消費(fèi)電子行業(yè),，改變了整個(gè)世界,；反過來，消費(fèi)電子行業(yè)的巨大市場,，也大大助力了鋰離子電池技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,。

如果沒有消費(fèi)電子行業(yè)的助推，在21世紀(jì)初的時(shí)候,，也許根本找不到可以達(dá)到電動(dòng)汽車應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的鋰離子電池 —— 消費(fèi)電子行業(yè)助力鋰離子電池從1進(jìn)步到10,，電動(dòng)汽車行業(yè)才有機(jī)會(huì)在此基礎(chǔ)上繼續(xù)推進(jìn)。

對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展來說,，索尼也功不可沒,。可悲的是,，現(xiàn)在鋰電行業(yè)已沒有索尼的身影：索尼總是超前地做出驚艷的產(chǎn)品與技術(shù),，但無法堅(jiān)持到吃到勝利果實(shí)的一天。

小結(jié)

在汽車的AI(自動(dòng)駕駛),、Connectivity（智能互聯(lián)）與e-tron(電力驅(qū)動(dòng))三個(gè)趨勢中,，電力驅(qū)動(dòng)技術(shù)給人心理上的沖擊，也許沒有自動(dòng)駕駛那么大,，猛一看顯得不算是“劃時(shí)代“的突破。

今天,，我們已經(jīng)習(xí)慣了鋰離子電池技術(shù)帶來的便利,，覺得這項(xiàng)技術(shù)稀松平常,，沒什么特別；但是,，穿越到20世紀(jì)70年代,，如果你說鋰離子電池將大規(guī)模應(yīng)用于消費(fèi)電子與汽車行業(yè)，大家也許會(huì)覺得你是個(gè)瘋子,！

類比地,，今天我們覺得自動(dòng)駕駛技術(shù)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(shù),，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(xiàng)技術(shù)“劃時(shí)代“,，哪項(xiàng)技術(shù)很一般，而應(yīng)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(fā)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(qū)動(dòng)的鋰離子電池關(guān)鍵技術(shù)的崛起,，依賴于科研界與產(chǎn)業(yè)界的共同創(chuàng)新，過程中英雄故事數(shù)不勝數(shù),，才在極端不利的情形下找到一個(gè)突破口,，幫助電動(dòng)汽車百年之后重返歷史舞臺(tái)。

這簡直就是一個(gè)奇跡,，稱之為“劃時(shí)代“并不夸張,。

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

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