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鋰離子電池的成名之路和背后的三十年

放大字體  縮小字體 發布日期:2019-10-12  來源:每日人物  瀏覽次數:327
核心提示:10月9日,97歲的約翰·B·古迪納夫(John B. Goodenough)、78歲的M·斯坦利·惠廷漢姆(M. Stanley Whittingham)和71歲的吉野彰(Akira Yoshino)一起拿到了本年度諾貝爾化學獎。

鋰離子電池終于有諾貝爾獎了。

10月9日,97歲的約翰·B·古迪納夫(John B. Goodenough)、78歲的M·斯坦利·惠廷漢姆(M. Stanley Whittingham)和71歲的吉野彰(Akira Yoshino)一起拿到了本年度諾貝爾化學獎。

1976年,惠廷漢姆創造性地采用硫化鈦作為正極材料,金屬鋰作為負極材料,幫助埃克森公司申請了世界上第一個可充電鋰電池的發明專利。也正因此,惠廷漢姆獲得“鋰電池之父”的名號。

基于惠廷漢姆的研究,古迪納夫在接下來的十年里,一手研發的鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰,一次次鋪平了“鋰”在電池行業的花路。吉野彰則借鑒了古迪納夫的成果,在1985年開發了第一個商業上成功的可充鋰離子電池。

上世紀90年代,索尼正式將鋰離子電池商業化,移動可充電的時代正式到來。回顧鋰離子電池的成名之路,各地開花,也充滿坎坷。

始于日本的商業化

在鋰離子電池像如今隨處可見之前,最常見的二次電池,如鉛酸電池,在我國2.5億輛電動車的份額中,九成以上使用的是鉛酸蓄電池。因是重金屬,又是強酸,聽上去似乎沒那么安全。另一種鎳鎘電池,容量雖較鉛蓄電大幅提升,但重金屬鎘污染所帶來的“痛痛病”,也一度令人心惶惶。

在尋找各種金屬材料中,科學家們在元素周期表中找了一圈,最后鎖定了第三號“鋰”。上世紀80年代,加拿大的Moli Energy公司,以持有金屬鋰作為電極的技術火遍電池圈。正當其準備施展拳腳時,電池因起火爆炸。1989年夏天,Moli Energy宣布召回, 年底即破產,最終被日本電氣公司收購。

“鋰”的危險性,致使電池這個燙手山芋沒人敢接盤。正因此如此,早在1980年Goodenough就發明出鈷酸鋰,能使“鋰”這個元素從活潑的金屬態轉移到穩定乖巧的離子態,讓安全成為可能,但正當他想申請專利時,他所在的牛津大學卻不樂意,他只好找了其他的實驗室代為申請。

然而在地球的另一端,日本的金屬鋰電池發展卻如日中天。

1973年,松下電池公司生產的商用一次鋰電池拉開序幕以來。鋰電池在日本的商業之路就此開啟。80年代,日本已成為了全球推廣應用鋰電池最快的國家。1988年日本的圓筒形及幣式一次鋰電池生產達到了2.34億只,是1983年的四倍。

1983年,吉野彰使用筑波大學名譽教授白川英樹發現的導電性塑料聚乙炔作為負極,用古迪納夫開發的鈷酸鋰作為正極,組裝出第一個可充電電池。白川英樹后來在2000年依靠該技術獲得諾貝爾化學獎。

吉野彰1972年京都大學畢業后,進入旭化成公司工作。該公司是一家綜合化工企業,目前是世界上最大的鋰電池絕緣材料的制造商。吉野彰一輩子都在這家公司工作,迄今仍是該公司的名譽特別研究員。

1991年,索尼公司獲得吉野彰這一技術后,并與旭化成公司合作,首次將鋰離子電池實現了商業化。

隔年,這項技術被應用在“CCD-TR1”的8mm索尼攝像機當中,在郡山工廠的新建大樓里大規模生產。

索尼衰落,松下崛起

好景不長,1995年的一場工廠大火燒毀了100萬塊索尼的電池。經過東京消防署調查后,這場大火的起因與索尼的鋰電池無關。

這挫傷了索尼的士氣,但他們沒有一蹶不振。索尼以日本人的嚴謹態度,和近乎變態的穿刺測試,索尼保證了之后產品的安全。

厄運仍在2006年到來。一臺使用索尼電池的戴爾筆記本電腦在會議上突然起火,索尼不得不面向全世界道歉,還花了4億召回了1000萬筆記本電腦。

此后,索尼在電池上再無大發展。2017年9月1日起,原來的索尼電池正式并入村田制作所集團,成為村田集團的一部分,至此索尼電池退出歷史舞臺。

另一家日本企業松下,在2009年收購三洋后,一躍成為全球最大的鋰電池供應商,并在此后長期占領電池行業的頭把交椅。2014 年的全球車用鋰離子電池中,松下市場占有率達到45.7%。
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2014年松下市場占有率/圖源網絡

就在索尼鋰電池商業化的同時,韓國也緊隨其步,以三星,LG為首的公司大施拳腳,同時中國也以比亞迪和ATL為首的電池企業拿到了手機巨頭的訂單。

縱觀鋰離子電池在全球的份額,在2014年的全球鋰電池廠商排名中,排名前六的均為日本企業,韓國和中國緊隨其后。同年馬斯克對外宣稱:“松下就是特斯拉的心臟”,強強聯手讓松下公司穩住了電池行業的霸主地位。

僅過了四年,中國成為世界上最大的電動車市場,全球十大鋰電池廠商中,中國占七席。不過,排名第一仍為日本松下,第二、三位則是中國的寧德時代和比亞迪。

興起的新能源汽車

鋰電池的迅速發展也讓市場上各種產品更新迭代,尤其是在消費電子產品和新能源汽車行業。

消費電子產品日新月異,受惠于鋰電池,手機和筆記本電腦得以越做越薄,掃地機器人,智能穿戴等也早已滲透生活。而汽車行業里,電池技術也想占一份屬于燃油能源的市場。

電動汽車遲遲發展不起來,與其電池的技術不佳有關,直到“鋰”的發展,使其力挽狂瀾。這不得不歸功于古迪納夫的磷酸鐵鋰,這正是比亞迪造車采用“鐵鋰”技術。

1995年,王傳福將剛研發的比亞迪的產品送給臺灣最大無繩電話制造商大霸試用。當時采用的是鎳鉻技術。也正因此,比亞迪獲得大霸原本給三洋的訂單。

僅僅花了五年,踏上了全球電池行業的第一梯隊。2000年拿下了諾基亞、摩托羅拉等手機大廠的電池訂單,并在2002年香港上市。

作為北京有色金屬研究院里最年輕的處長,王傳福最早帶領比亞迪做電池起家,不僅趕上電子產品的大爆發,還看準了時機在2003年進入了汽車的市場。

憑借“鐵鋰”和三電技術(電池、電機、電控),比亞迪在新能源汽車市場上的占有率也達到了24%左右,如今已經成為中國唯一一家擁有完整產業鏈的車企。

在電動汽車行業中,不得不提及特斯拉。它是第一款可以合法上高速,單次充電續航超過320 公里的量產車的鋰電車。如今它僅靠電池續航,500km的業績讓業界其他企業望塵莫及。

特斯拉采用的松下18650和體積容量更大的21700的圓柱型鋰電池,電池的正極為三元鎳鈷鋁酸鋰(NCA),加上特斯拉優秀的電池管理系統BMS,這在純電動車的領域里幾乎無法超越。

有人計算過,一輛車的電池容量等于5000個手機電池,全球每年銷售9000萬輛的汽車全部使用鋰電池的話,從手機到汽車,鋰電池的市場空間將擴大300倍。吉野彰也說,電池行業未來的發展,取決于汽車能發展到什么地步。

鋰電池的爆炸困境

在汽車行業的大好形勢,背后有著不少辛酸淚。

截至2018年10月,電動汽車起火事件達40余起。今年陸續出現特斯拉、蔚來、榮威、比亞迪4大品牌的新能源電動車先后出現起火事件。

在蔚來電動車多起事故的原因中,其中動力電池自燃占三成,主要是由于鋰電池發生內部或者外部短路后,短時間內電池釋放出大量熱量,溫度急劇升高,導致熱失控。

鋰離子電池起火遭殃的不止電動汽車,手機和筆記本電腦等消費電子也曾發生過多起意外起火事件,因此航空公司也要求旅客不得托運鋰離子電池。

2016年三星note7至少三十五起的電池爆炸事件,成了三星的丑聞。2018年瑞士蘇黎世一家蘋果零售店,發生了iPhone手機電池爆炸事故,造成1人受傷,7人中毒入院,50余人被緊急疏散。據外媒,西班牙的零售店,也發生了蘋果手機爆炸事故。

對溫度敏感,短路起火爆炸,一直都是傳統鋰離子電池繞不過的坎。

電解液技術是鋰電池的核心技術,傳統鋰離子電池在過充或是內短路的情況下,易導致電解液發熱,進而有自燃或者爆炸的危險性。因此,能夠不用液體電解液,名為全固態電池的行業正在悄然興起。

據資料顯示,過去十年內,全固態電池領域專利數量增長已經超過了10倍。固態電池的優勢在于不可燃不漏液,安全性不言而喻。同時無需隔膜與電解液,提高能量密度,直擊了傳統鋰離子電池的痛點。

目前,日本、韓國、美國等許多工業巨頭公司已投入到全固態電池行業中。Sakti3、Cymbet Corporation、Prologium、豐田公司等,在全固態電池的研發生產上,也傾注了很多精力。蘋果公司也在全固態電池方向做了專利布局。

相對日韓、歐美來說,中國的鋰電池產業雖然經過十多年的發展,目前已經形成了完整產業鏈,市場和儲備依然是優勢,但在技術層面上還需要攻克。

 

 
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