世界不再欠你诺贝尔奖了 但97岁的你却还在为何而努力?

胡永彬
2019-10-15 23:01 /浏览

消费电子产品上的锂离子电池与动力锂离子电池有什么区别?

    锂离子电池自诞生以来一直在消费类电子产品中大行其道,而近几年它在电动车领域得到极大的发展,让无碳出行成为可能。那么二者又有什么区别呢?

    一般在手机、智能手表等消费类电子设备上,通常会选用像钴酸锂这种具有较大能量密度的锂离子电池。虽然这种电池可能会带来一定的安全风险,但由于它们体积小且与人形影不离,使用环境总体来讲不那么苛刻,所以风险总体可控。

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    相比之下,电动车上的动力锂电池能量密度通常没有消费类电子产品上的电池那么高,为的就是降低安全风险。毕竟一辆电动车上的动力电池包由成百上千块电芯组成,如果增加某一个电芯出现风险的概率,那么整体电池组出现风险的概率就会大大增加。这也是为什么电动车企会为动力电池包设计远比数码电子产品更为复杂的电池主/被动散热系统,以及精密的电池控制系统。

    此外,更高能量密度的锂离子电池通常寿命更短,而消费类电子产品的生命周期大都在2年左右,要比电动车的寿命低的多。所以高能量密度电池更能够满足消费类电子产品的使用需求,但并不太适合电动车。

◆吉野彰对于电动车发展的看法

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    吉野彰先生曾经在接受媒体对话的时候预测,电动汽车在2025年左右将会占据新车销量的15%,但限制电动车发展的关键可能在于动力电池能否被回收。如果人类能够从回收的动力电池中重新获取到生产动力电池的原材料,那么这个难题便会迎刃而解,电动车行业也将得到更加长远的发展。

◆古迪纳夫是何许人也?

    当看到这里,或许大家已经清楚锂离子电池诞生的来龙去脉。不过您或许还有一个疑问,那就是在三位发明者中,有一个人最近总是被频繁曝光。明明最终获奖的是三个人,为什么大家却频频把目光投向这一个人身上呢?那么接下来,请听我给您详细介绍一下这个人。

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    但即便年近百岁,他目前依然奋斗在锂离子电池研发的岗位上,这是古迪纳夫先生精神层面上光辉的一面。不过,他在电化学方面所做出的成就更为夺目。在电化学届只要一提起古迪纳夫先生,几乎是无人不知、无人不晓。

     在上文我们只提到他发明出了钴酸锂以及镍酸锂正极材料,并促成了锂离子电池的商业化。不过这只是他在锂离子电池领域贡献的一小部分,或者说是一个开始。随后,他继续投身于锂离子电池领域的研究。

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    最早投入使用的钴酸锂电池其实并不完美,它有两个主要问题:一个是在多次充放电后,钴酸锂正极材料的层状结构也会出现不可逆的塌陷,虽然只有一小部分,但已经足以让使用者感受到电池寿命的降低,这也是为什么数码产品的电池使用寿命普遍较短;另一个问题就是钴金属材料在世界的储量很少,再加上锂离子电池的广泛应用,极大地抬高了这种材料的采购成本。

    面对这两个问题,古迪纳夫团队很早就开始研究钴酸锂的替代材料。这种材料的层状结构要足够稳定,使电池的使用寿命大大增强,另外它也要拥有更低的成本,那么究竟有没有这样的材料呢?

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    1997年,当古迪纳夫75岁那年,他的团队再次给了世界一个惊喜。他们研发出了一种名叫磷酸铁锂(LiFePO4)的正极材料,这种材料相比钴酸锂材料拥有更结实的晶体结构,并可以使锂离子在内部畅快的流动。这意味着这种电池性能更好、寿命更长而且更安全。并且它的主要构成元素是我们生活中随处可见的铁和磷,所以生产成本要比钴酸锂低得多。

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     但磷酸铁锂材料的发展并不顺风顺水,全球多家电池企业因为争夺这项专利而对铺公堂。而且这种材料同样不完美,它有一个最大的问题就是能量密度相对较低,所以目前在电动车领域对续航有较高要求的乘用车很少采用这种电池材料了,它们更多被用在了对安全性要求更高的大巴车上。但无疑,这仍然是一项对锂电池行业发展起到推进作用的伟大发明。

   凭借着研发出钴酸锂以及磷酸铁锂电池材料,锂离子电池得以走进千家万户,改变了一代人的生活方式。然而,就是这么一个为人类做出了如此突出贡献的人,在他97岁之前却始终未获得过一次诺贝尔奖,这让很多人为他心有不甘,觉得世界欠古迪纳夫一个诺贝尔奖。

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    然而,古迪纳夫先生知道自己并非为荣誉而活,他更在乎的似乎还是锂离子电池未来的发展。所以,在近几年中,他开始研究一个新的课题,那就是解决锂离子电池的安全问题,并继续降低其制造成本。在他看来解决这个问题的办法,就是通过一种名为全固态电池的新型锂离子电池。

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    相信很多人都听说过固态电池,但或许并不了解它是什么,究竟有什么用。其实固态电池相比传统的锂离子电池最本质的区别是,电池中的电解质从液体变成了固体。我们知道传统的液态电解质非常危险,是锂离子电池着火的主要元凶。当把它们换成成本更低的固态电解质后,其危险性将大大降低,我们或许将不会再为手机、电动车起火而担忧了。

    据古迪纳夫先生介绍,在2015年,他的团队就发现了一种名叫NASICON(钠超离子导体)的固态电解质。这种材料能够达到与液态电解质近乎一样的性能,并可以为锂离子电池带来更多的电池循环次数以及更优的安全性。在先生看来,未来配备了全固态电池的电动车将有能力与由化石燃料提供动力的内燃机车展开更激烈的竞争。

◆尾声:

    曾经流传一种说法,虽然锂离子电池不是古迪纳夫一个人发明的,但是他成就了锂离子电池今天的辉煌。如今摘得诺贝尔金牌的他,97岁高龄还依然奋战在新一代锂离子电池研发的前沿阵地上,这样敬业的精神值得我们钦佩,同样也值得我们感激。(图/文 汽车之家 胡永彬)

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