3个诺奖得主+元素周期表3号元素,汽车业就这样被改变了

本届诺贝尔化学奖得主的成就———锂离子电池多个方面让人们的汽车生活发生了质的变化每年的诺贝尔奖都会引起社会各界的强烈关注。在各项诺贝尔奖中,化学奖是比较特殊的一个。一方面,设立...

本届诺贝尔化学奖得主的成就———锂离子电池多个方面让人们的汽车生活发生了质的变化

每年的诺贝尔奖都会引起社会各界的强烈关注。在各项诺贝尔奖中,化学奖是比较特殊的一个。

一方面,设立该奖的阿尔弗雷德·伯纳德·诺贝尔(Alfred Bernhard Nobel)本人就是一位杰出的化学家,最著名的发明是以硝化甘油制作炸药。另一方面,不少获奖成就并不局限化学,而是涉及生物学、物理学等多重学科,因此诺贝尔化学奖也被调侃为“理科综合奖”。他们的成就往往对人类生活的影响更为直接,也更接地气,今年的诺贝尔化学奖尤为如此。

2019年诺贝尔化学学奖颁发给了美国科学家约翰·B·古迪纳夫(John B. Goodenough)、英国科学家M·斯坦利·惠廷厄姆(M. Stanley Whittingham)和日本科学家吉野彰(Akira Yoshino),以表彰他们在锂离子电池研发领域作出的贡献。而锂电池从手机、笔记本到电动汽车,奠定了无线、无化石燃料社会的基础,从根本上改变了人们的日常生活。

“他们创造了一个可充电的世界。”诺贝尔奖委员会在颁奖词中写道。

锂离子电池的诞生

电动汽车的发明其实比内燃机汽车更早,直到1912年还在市场份额上占有优势,后来由于电池技术进步缓慢而被历史淘汰。电动汽车之所以能够在百年之后重新大放异彩,正是因为锂离子电池技术的成熟和商业化的功劳。

对汽车来说,由于空间有限,还需要载人载物行驶,如果用电池来驱动,对电池的能量密度有很高的要求,既不能过多牺牲座舱与后备箱空间来装电池,也不能背着太重的电池到处跑。若找不到合适的高能量密度电池,电动汽车就无法真正成为合格的交通工具。

1970年代,阿以战争导致了两次国际石油危机,寻找新型能源成为了全球的共识,也为电动汽车的新动力埋下了希望的种子。

1976年,由斯坦利·威廷汉团队制成了世界上第一块可充电的锂离子电池,并申请了锂电池专利。当时的锂电池正极部分由能释放更多电子的金属锂制成,阴极用二硫化钛,电压刚刚超过2V,能够在分子水平上让锂离子嵌入其中。

但这种锂电池电化学属性极不稳定,在充电过程中非常容易起火爆炸,并且在反复充放电的过程中,电池容量衰减极快,并不适用于商业应用。

锂电池的安全难题直到4年后,才由约翰·B·古迪纳夫这位30岁才毕业的物理学博士实现突破。古迪纳夫推测,如果用一种金属氧化物而不是金属硫化物来制造阴极,那么电池将具有更高的电压。经过系统的研究,1980年他证实将锂离子嵌入氧化钴可以产生高达4V的电压。由此发现的层状氧化物正极材料——钴酸锂成为了锂电池的一个重要突破。

如今的手机、笔记本等便携设备几乎都在使用钴酸锂,包括特斯拉的第一款汽车用的也是钴酸锂。1997年,古迪纳夫又研发了磷酸铁锂正极材料,当前电动汽车争论不休的两大电池技术,三元锂和磷酸铁锂都离不开古迪纳夫的研究成果。

在古迪纳夫研究基础上,日本名古屋市旭化成(Asahi Kasei)公司研究员、名城大学教授吉野彰(Akira Yoshino)于1985年成功地从电池中用更安全的锂离子替代了纯锂,发明了采用碳材料作为阳极的锂离子电池,从而让锂电池有了商业化可能。1991年日本索尼公司首次将锂电池这个研发了20多年的产品推向市场。

让电动汽车重获新生

不过,尽管锂电池在1991年就得以商业化,但这样的电池,不论是功率、寿命、还是安全都达不到最高工业级别——车规级的标准。直到1993年,日本大阪煤气公司将中间相碳微球(MCMB)碳材料作为锂电池阳极之后,锂离子电池的性能才获得了较大的提升,才进入了汽车企业的视线。

日产从1992年开始研发用于聆风的锂离子电池。从1996年起,安装有锂离子电池的“PRAIRIE JOY”型电动车在日本国内开始销售。

2005年后,以人造石墨为阳极的锂电池,以其优异的电化学性能开始在动力电池上获得广泛应用,电动汽车越来越成熟。2008年,奥巴马当政,大力推动电动汽车发展,全球锂电池发展进入新的高潮,并作为电动汽车的“心脏”,重新定义了电动汽车。

2010年12月起,日产开始在美国、日本、欧洲销售聆风电动汽车。2012年,特斯拉也用松下18650锂电池成功造出市场欢迎的电动汽车Model S。

随着世界各国政府对可再生资源的重视程度的加大,在政策大力支持下,全球新能源汽车市场进入快速发展通道。

以欧洲为例,早在2015年,挪威就宣布2025年限制燃油汽车销售;第二年,荷兰也宣布2030年后实现新车零排放;英国、法国和西班牙均颁布禁令,表示2040年后停止销售柴油及汽油车。

几乎所有主要车企都将汽车电动化视为当下最重要的战略规划:

丰田公司计划到本世纪20年代初,将会有十多款全新的纯电动汽车问世,到2030年销售超过550万辆电动汽车。

大众计划到2028年旗下各品牌电动车销量达到2200万辆。

宝马集团目标到2021年在全球累计交付100万辆电动车。

戴姆勒则计划到2030年电动车型占据乘用车新车销量一半的份额。

沃尔沃预计到2025年电动汽车的销售总量提高到100万辆,其中中纯电动汽车占50%。

数据显示,2014年全球新能源汽车产量34.1万辆,到2018年,新能源汽车产量迅速增至192.4万辆,市场占比份额达到2.1%,同比增长72%。预计到2023年,全球新能源汽车产量将达887.5万辆,未来5年复合年均增长率达35.8%。电动汽车已然成为汽车产业的重要组成部分。

对中国而言,电动汽车的迅猛发展提供了换道超车的好机会。

从2009年的“十城千辆”计划开始,在政府的大力推广和支持下,我国新能源汽车产业在十年间实现了巨大的突破。

2018年,我国新能源汽车的销量达到了125.6万辆,占据了全球新能源汽车销量的60%。比亚迪和北汽新能源成为仅次于特斯拉,全球销量第二、第三的新能源汽车生产商。

与此同时,中国也诞生了以蔚来、威马、小鹏等为代表的造车新势力,在产品差异化和商业模式等方面作出创新尝试。

产业化进程与格局

动力锂电池作为电动汽车的“心脏”,占据着一辆电动汽车三分之一到一半的成本,也是电动汽车的竞争核心之一。

动力电池领域受全球新能源汽车市场快速发展带动,成为近年来拉动全球锂离子电池市场高速增长的主要因素。

据中商产业研究院和高工产业研究院公布的数据显示,2018年全球锂离子电池市场产量同比增长21.81%,达188.80GWh,过去5年年复合增长率达27.12%。高工产业研究院分析认为,未来5年动力电池仍将是锂离子电池行业增长最快的板块。

从全球范围来看,锂离子电池产业从90年代初正式诞生以来,逐渐从日本垄断,到日韩争霸,到现在中日韩三足鼎立。

日本的松下,韩国的三星、SK、LG,以及中国的宁德时代、比亚迪,被认为是目前全球电动汽车动力电池的龙头企业,占据着大多数市场份额。

在锂电池三大强国中,唯有中国拥有丰富的锂资源和完善的锂电池产业链,以及庞大的基础人才储备,使中国大陆在锂电池及其材料产业发展方面,成为全球最具吸引力的地区,并且已经成为全球最大的锂电池材料和电池生产基地。中国的宁德时代、比亚迪在全球十大锂电池公司中分别排名第二、第三。

随着电池能量密度的不断提高,车载锂离子电池的竞争将日益激烈。动力电池的品质、成本、安全、技术升级,将是动力电池行业竞争的焦点,也将是整个新能源汽车行业竞争的关键。

目前,我国动力电池行业格局正处于急剧的变化之中。一方面,日韩电池企业正在加快重返中国市场的节奏,开始与中国汽车厂商频繁接触,不久前,吉利与LG化学宣布成立新的合资公司,这释放出中韩企业新的电池合作项目落地的信号;另一方面,整车厂欲掌握在电动车行业的控制权,提高在供应链体系的议价能力,开始自己涉足电池制造,来完善产业链的布局。

对大部分车企而言,动力电池虽然有着天然的行业壁垒,但它们并不愿意放弃在产业发展过程中的主动权,更希望在转型过程中将更多核心的动力电池技术掌握在自己手中。

比如大众汽车集团斥资近10亿欧元在欧洲建立锂电池和固态电池生产工厂,并注资美国公司Quantum Scape,在固态电池领域获得优势;长城汽车也将生产动力电池的蜂巢能源独立出去,准备将其市场化,未来将不只向长城汽车供货。

另外,丰田汽车、通用汽车、吉利汽车、比亚迪、长城汽车、广汽传祺、上汽乘用车等企业,都将电池视为未来的核心竞争力,并有意覆盖从电池研发、生产到处理以及循环利用的整个工艺链。

更广阔的发展前景

从锂电池本身的发展来看,随着液态锂电池性能正在不断接近理论极限,以固态电池、锂金属电池、富锂锰基正极、高电压尖晶石正极等为代表的多元化新型锂电技术的竞争正在展开。

现在比较好的发展方向,是固态锂电池。固态电池与传统锂电池的区别在于用固态离子代替了电解液,其密度以及结构能让更多带电离子聚集在在一端,传导更大的电流,进而提升电池容量。

全固态锂电池具有极高的安全性,其固态电解质不可燃、无腐蚀、不挥发、不漏液,同时也克服了锂枝晶现象,搭载全固态锂电池的汽车的自燃概率会大大降低。

各国锂电池领域的科学家,包括97岁的约翰·B·古迪纳夫,都在向这一方向大力发展,不过固态电解质具有高的电阻,在功率密度、电导率、电池倍率、电池制备效率、成本控制方面都存在不小的问题,因此,固态锂电池目前尚处在实验室探索和初步商业化阶段。

纵观锂离子电池的发展史,可以说是人类不断突破理论极限的过程。锂离子电池关键技术的诞生、发展、成熟、商业化,依靠的是科研界与产业界的共同创新,共同努力,最终帮助电动汽车在百年沉寂之后再次成为汽车工业的重要组成部分。

附:2019诺贝尔化学学奖得主简介

约翰·B·古迪纳夫(John B Goodenough)

1922年生于德国耶拿,二战老兵,1943年获得耶鲁大学数学学士学位, 1951年和1952年在芝加哥大学获得物理学硕士和博士学位。

他的职业生涯始于麻省理工学院的林肯实验室,于1976年至1986年加入牛津大学担任教授和无机化学实验室负责人,在此期间他发明了锂电池。离开牛津大学后,他加入美国得州大学奥斯汀分校,现任该校机械工程和材料科学教授。现为美国科学院和工程院两院院士。

他58岁发明钴酸锂电池,75岁发明磷酸铁锂电池,90岁以后开始研究全固态电池,被誉为“锂离子电池之父”,以97岁高龄刷新了诺贝尔奖获得者最高年龄纪录。

他曾获2001年日本国际奖(Japan Prize),2009年费米奖(Enrico Fermi Award),2011年美国国家科学奖章和2014年查尔斯·斯塔克·德拉普尔奖(Charles Stark Draper Prize)。

M·斯坦利·惠廷厄姆(M. Stanley Whittingham)

1941年出生于英国,本科、硕士和博士均毕业于牛津大学,1968年取得博士学位。目前纽约州立大学石溪分校化学系杰出教授,纽约州立大学宾厄姆顿分校化学教授、材料研究和材料科学与工程研究所主任、纽约电池和储能联合会(NYBEST)董事会副主席。加入纽约州立大学之前,长期在石油公司Exxon工作,从事电池研发工作。

他是锂电池研究先驱,最早提出锂离子电池的概念,并采用硫化钛作为正极材料,金属锂作为负极材料,制成世界上第一块锂离子电池。近年来,他的研究集中在新型无机氧化物材料的制备及其化学和物理性质。最近,他的课题组发现了单相反应在电池电极放电中的关键作用。

2015年,威廷汉因在锂离子电池领域的开创性研究获得科睿维安化学领域引文桂冠奖。2018年因将插层化学应用在储能材料上的开创性贡献,当选美国国家工程院院士。

吉野彰 (Akira Yoshino)

1948年生于日本吹田。1970年从京都大学工学部石油化学科毕业,1972年获京都大学工学硕士学位,2005年获日本大阪大学博士学位。他目前是旭化成株式会社名誉特别研究员、技术研究组锂离子电池材料评价研究中心理事长、名城大学研究生院理工学研究科教授。

1983年,吉野运用钴酸锂开发阴极,运用聚乙炔开发阳极,在1983年制出世界第一个可充电锂离子电池的原型。1985年克服诸多技术问题,彻底消除金属锂,确立了可充电含锂碱性锂离子电池(LIB)的基本概念,并取得日本注册专利。由于极高的安全性、稳定的能量输出以及合理的价格,锂离子电池最终于1991年由索尼首次商业化。

他曾获得2013年全球能源奖(The Energy Globe Prize)和2014年查尔斯·斯塔克·德雷普尔奖、2018年日本国际奖和2019欧洲发明家奖。

本文来自:第 一电 动

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