获诺奖前,锂离子电池的成名之路和背后的三十年
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获诺奖前,锂离子电池的成名之路和背后的三十年

2019年10月11日 00:04:32
来源:每日人物

文|每日人物蔡茗君 编辑|钟十五

锂离子电池终于有诺贝尔奖了。

10月9日,97岁的约翰·B·古迪纳夫(John B. Goodenough)、78岁的M·斯坦利·惠廷汉姆(M. Stanley Whittingham)和71岁的吉野彰(Akira Yoshino)一起拿到了本年度诺贝尔化学奖。

1976年,惠廷汉姆创造性地采用硫化钛作为正极材料,金属锂作为负极材料,帮助埃克森公司申请了世界上第一个可充电锂电池的发明专利。也正因此,惠廷汉姆获得“锂电池之父”的名号。

基于惠廷汉姆的研究,古迪纳夫在接下来的十年里,一手研发的钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂,一次次铺平了“锂”在电池行业的花路。吉野彰则借鉴了古迪纳夫的成果,在1985年开发了第一个商业上成功的可充锂离子电池。

上世纪90年代,索尼正式将锂离子电池商业化,移动可充电的时代正式到来。回顾锂离子电池的成名之路,各地开花,也充满坎坷。

诺贝尔化学奖获得者

始于日本的商业化

在锂离子电池像如今随处可见之前,最常见的二次电池,如铅酸电池,在我国2.5亿辆电动车的份额中,九成以上使用的是铅酸蓄电池。因是重金属,又是强酸,听上去似乎没那么安全。另一种镍镉电池,容量虽较铅蓄电大幅提升,但重金属镉污染所带来的“痛痛病”,也一度令人心惶惶。

在寻找各种金属材料中,科学家们在元素周期表中找了一圈,最后锁定了第三号“锂”。上世纪80年代,加拿大的Moli Energy公司,以持有金属锂作为电极的技术火遍电池圈。正当其准备施展拳脚时,电池因起火爆炸。1989年夏天,Moli Energy宣布召回, 年底即破产,最终被日本电气公司收购。

“锂”的危险性,致使电池这个烫手山芋没人敢接盘。正因此如此,早在1980年Goodenough就发明出钴酸锂,能使“锂”这个元素从活泼的金属态转移到稳定乖巧的离子态,让安全成为可能,但正当他想申请专利时,他所在的牛津大学却不乐意,他只好找了其他的实验室代为申请。

松下公司所产锂电池

然而在地球的另一端,日本的金属锂电池发展却如日中天。

1973年,松下电池公司生产的商用一次锂电池拉开序幕以来。锂电池在日本的商业之路就此开启。80年代,日本已成为了全球推广应用锂电池最快的国家。1988年日本的圆筒形及币式一次锂电池生产达到了2.34亿只,是1983年的四倍。

1983年,吉野彰使用筑波大学名誉教授白川英樹发现的导电性塑料聚乙炔作为负极,用古迪纳夫开发的钴酸锂作为正极,组装出第一个可充电电池。白川英樹后来在2000年依靠该技术获得诺贝尔化学奖。

吉野彰1972年京都大学毕业后,进入旭化成公司工作。该公司是一家综合化工企业,目前是世界上最大的锂电池绝缘材料的制造商。吉野彰一辈子都在这家公司工作,迄今仍是该公司的名誉特别研究员。

1991年,索尼公司获得吉野彰这一技术后,并与旭化成公司合作,首次将锂离子电池实现了商业化。

隔年,这项技术被应用在“CCD-TR1”的8mm索尼摄像机当中,在郡山工厂的新建大楼里大规模生产。

索尼衰落,松下崛起

好景不长,1995年的一场工厂大火烧毁了100万块索尼的电池。经过东京消防署调查后,这场大火的起因与索尼的锂电池无关。

这挫伤了索尼的士气,但他们没有一蹶不振。索尼以日本人的严谨态度,和近乎变态的穿刺测试,索尼保证了之后产品的安全。

厄运仍在2006年到来。一台使用索尼电池的戴尔笔记本电脑在会议上突然起火,索尼不得不面向全世界道歉,还花了4亿召回了1000万笔记本电脑。

此后,索尼在电池上再无大发展。2017年9月1日起,原来的索尼电池正式并入村田制作所集团,成为村田集团的一部分,至此索尼电池退出历史舞台。

另一家日本企业松下,在2009年收购三洋后,一跃成为全球最大的锂电池供应商,并在此后长期占领电池行业的头把交椅。2014 年的全球车用锂离子电池中,松下市场占有率达到45.7%。

2014年松下车用锂离子电池市场占有率

就在索尼锂电池商业化的同时,韩国也紧随其步,以三星,LG为首的公司大施拳脚,同时中国也以比亚迪和ATL为首的电池企业拿到了手机巨头的订单。

纵观锂离子电池在全球的份额,在2014年的全球锂电池厂商排名中,排名前六的均为日本企业,韩国和中国紧随其后。同年马斯克对外宣称:“松下就是特斯拉的心脏”,强强联手让松下公司稳住了电池行业的霸主地位。

仅过了四年,中国成为世界上最大的电动车市场,全球十大锂电池厂商中,中国占七席。不过,排名第一仍为日本松下,第二、三位则是中国的宁德时代和比亚迪。

兴起的新能源汽车

锂电池的迅速发展也让市场上各种产品更新迭代,尤其是在消费电子产品和新能源汽车行业。

消费电子产品日新月异,受惠于锂电池,手机和笔记本电脑得以越做越薄,扫地机器人,智能穿戴等也早已渗透生活。而汽车行业里,电池技术也想占一份属于燃油能源的市场。

电动汽车迟迟发展不起来,与其电池的技术不佳有关,直到“锂”的发展,使其力挽狂澜。这不得不归功于古迪纳夫的磷酸铁锂,这正是比亚迪造车采用“铁锂”技术。

1995年,王传福将刚研发的比亚迪的产品送给台湾最大无绳电话制造商大霸试用。当时采用的是镍铬技术。也正因此,比亚迪获得大霸原本给三洋的订单。

仅仅花了五年,踏上了全球电池行业的第一梯队。2000年拿下了诺基亚、摩托罗拉等手机大厂的电池订单,并在2002年香港上市。

作为北京有色金属研究院里最年轻的处长,王传福最早带领比亚迪做电池起家,不仅赶上电子产品的大爆发,还看准了时机在2003年进入了汽车的市场。

凭借“铁锂”和三电技术(电池、电机、电控),比亚迪在新能源汽车市场上的占有率也达到了24%左右,如今已经成为中国唯一一家拥有完整产业链的车企。

在电动汽车行业中,不得不提及特斯拉。它是第一款可以合法上高速,单次充电续航超过320 公里的量产车的锂电车。如今它仅靠电池续航,500km的业绩让业界其他企业望尘莫及。

特斯拉电动汽车

特斯拉采用的松下18650和体积容量更大的21700的圆柱型锂电池,电池的正极为三元镍钴铝酸锂(NCA),加上特斯拉优秀的电池管理系统BMS,这在纯电动车的领域里几乎无法超越。

有人计算过,一辆车的电池容量等于5000个手机电池,全球每年销售9000万辆的汽车全部使用锂电池的话,从手机到汽车,锂电池的市场空间将扩大300倍。吉野彰也说,电池行业未来的发展,取决于汽车能发展到什么地步。

锂电池的爆炸困境

在汽车行业的大好形势,背后有着不少辛酸泪。

截至2018年10月,电动汽车起火事件达40余起。今年陆续出现特斯拉、蔚来、荣威、比亚迪4大品牌的新能源电动车先后出现起火事件。

在蔚来电动车多起事故的原因中,其中动力电池自燃占三成,主要是由于锂电池发生内部或者外部短路后,短时间内电池释放出大量热量,温度急剧升高,导致热失控。

锂离子电池起火遭殃的不止电动汽车,手机和笔记本电脑等消费电子也曾发生过多起意外起火事件,因此航空公司也要求旅客不得托运锂离子电池。

2016年三星note7至少三十五起的电池爆炸事件,成了三星的丑闻。2018年瑞士苏黎世一家苹果零售店,发生了iPhone手机电池爆炸事故,造成1人受伤,7人中毒入院,50余人被紧急疏散。据外媒,西班牙的零售店,也发生了苹果手机爆炸事故。

对温度敏感,短路起火爆炸,一直都是传统锂离子电池绕不过的坎。

苹果手机电池爆炸

电解液技术是锂电池的核心技术,传统锂离子电池在过充或是内短路的情况下,易导致电解液发热,进而有自燃或者爆炸的危险性。因此,能够不用液体电解液,名为全固态电池的行业正在悄然兴起。

据资料显示,过去十年内,全固态电池领域专利数量增长已经超过了10倍。固态电池的优势在于不可燃不漏液,安全性不言而喻。同时无需隔膜与电解液,提高能量密度,直击了传统锂离子电池的痛点。

目前,日本、韩国、美国等许多工业巨头公司已投入到全固态电池行业中。Sakti3、Cymbet Corporation、Prologium、丰田公司等,在全固态电池的研发生产上,也倾注了很多精力。苹果公司也在全固态电池方向做了专利布局。

相对日韩、欧美来说,中国的锂电池产业虽然经过十多年的发展,目前已经形成了完整产业链,市场和储备依然是优势,但在技术层面上还需要攻克。

参考资料:

《敌退我进,锂电池产业链的中日韩大战》

《2019-2023年中国锂电池设备行业深度调研及投资前景预测报告》

《日本锂电池发展趋势》

《Why China Is Dominating Lithium-Ion Battery Production》