人民日报：锂电池助推能源革新

不久前,2019年诺贝尔化学奖颁发给3位科学家,表彰他们在锂离子电池(以下简称“锂电池”)方面的研究贡献,再次引起人们对锂电池的关注和讨论。从上世纪70年代锂电池概念的提出,到上世纪90年代进入市场,如今,锂电池已经被应用到方方面面,改变了人们的生活。未来,随着相关研究的深入推进,锂电池的发展和应用将迎来更加广阔的前景,进而推动人类社会能源变革与创新,为经济社会可持续发展、加强环境保护注入新的动能。

相较于以化石燃料为基础的传统能源供给方式,锂电池的出现打破了以往的碳基供能方式,减少了碳排放量,为可持续发展提供了新路径。从上世纪90年代开始,锂电池开始进入市场,逐渐成为电器和IT终端设备的动力选择。更小的体积、更稳定的性能、更好的循环性,使锂电池逐渐遍布人们日常生活的各个方面,助力人类向清洁世界迈出重要一步。

中国是锂电池产业大国。《锂离子电池产业发展白皮书(2019年)》显示,中国作为全球最大的生产国和最重要的应用市场,在全球锂电池产业中的地位不断提升。尤其是受益于新能源汽车持续快速发展,近年来我国锂电池产业规模稳步增长。数据显示,2018年我国锂电池累计产量达139.9亿只,同比增长25.9%;产业规模达到1727亿元,同比增长9%。2018年,中国锂电池市场产量超过全球产量的一半,行业公司市值规模逾1万亿元。全球对于锂电池的需求也呈增长趋势,为相关领域带来新的商机。

如今,随着汽车电动化趋势的来临,锂电池得以发挥作用。得益于国家政策对新能源汽车产业的大力支持,近年来,我国动力型锂电池发展迅猛。高能量密度、高稳定性的车规级锂电池,拓展了电动汽车行业的前景,得到政府和市场的初步认可。今年以来,随着新能源汽车补贴政策的调整,锂电池的成本压力加大,将一些低端产品淘汰出局,使得市场竞争更加激烈,倒逼相关企业以更高的产品性价比、更快的市场反应能力,在竞争中赢得优势。

同时也应当看到,锂电池的发展和应用也面临着不小的挑战。比如,锂电池新能源汽车在实际使用过程中,尚存在能量密度低、低温性能差、充电时间长、使用寿命短等问题,核心技术尚未实现明显突破,安全方面也存在一定隐患。针对这些问题,有待科学研究的进一步深化,也离不开对其他清洁能源的进一步探索。

2019年诺贝尔化学奖

2019年诺贝尔化学奖奖励锂离子电池的开发。当地时间10月9日,瑞典皇家科学院宣布,将2019年诺贝尔化学奖授予约翰·B·古迪纳夫(John B. Goodenough)、M·斯坦利·威廷汉(M. Stanley Whittingham )、吉野彰(Akira Yoshino)。获奖原因为:“他们创造了一个可充电的世界”。

当前,锂离子电池在全球范围内用于为便携式电子设备供电。我们使用这些便携式电子设备进行通讯、工作、学习、听音乐和寻找知识。锂电池还促进了远程电动汽车的开发以及来自可再生能源(例如太阳能和风能)的能量存储。现在,这种轻巧、可充电且功能强大的电池已用于从手机到笔记本电脑和电动车的所有产品。它还可以存储来自太阳能和风能的大量能量,从而使无化石燃料社会成为可能。

三位科学家是如何共同“发明”锂电池的?

据诺贝尔奖官网介绍,锂离子电池的基础是在1970年代的石油危机期间奠定的。Stanley Whittingham致力于开发可能导致无化石燃料的能源技术的方法。他开始研究超导体,并发现了一种能量非常丰富的材料,他将其用于在锂电池中创建创新的阴极。它是由二硫化钛制成的,该二硫化钛在分子水平上具有可以容纳(嵌入)锂离子的空间。电池的阳极部分由金属锂制成,金属锂具有强烈的释放电子的动力。这产生了一个电池,实际上具有很大的潜力,刚好超过2伏。但是,金属锂具有反应性,电池爆炸性太大,无法使用。

John Goodenough预测,如果使用金属氧化物而不是金属硫化物制成阴极,则阴极将具有更大的潜力。经过系统的搜索,他在1980年证明了嵌入了锂离子的氧化钴可以产生多达4伏的电压。这是一项重要的突破,将带来更强大的电池。

吉野彰(Akira Yoshino)以Goodenough的阴极为基础,于1985年创建了首个商业上可行的锂离子电池。他没有在阳极中使用反应性锂,而是使用了石油焦炭,这种碳材料像阴极的氧化钴一样可以嵌入锂离子中。 结果是重量轻,坚固耐用的电池,在其性能下降之前可以充电数百次。锂离子电池的优点在于,它们不是基于分解电极的化学反应,而是基于锂离子在阳极和阴极之间来回流动。