2019诺贝尔化学奖得主锂电池领域的主要贡献

10月9日,2019诺贝尔化学奖揭晓,瑞典皇家科学院宣布将2019年诺贝尔化学奖授予John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham 和 Akira Yoshino三位,以表彰他们在锂离子电池领域的贡献。

那么这三位诺奖得主究竟在锂电池领域做了哪些贡献呢?

首先是Stanley Whittingham,他是将锂带入了电池的人。

20世纪70年代初,Stanley Whittingham开发第一个功能性锂电池时,他利用锂的巨大驱动力来释放外层电子,将锂作为新电池的负极。当时的背景是20世纪中叶,汽车尾气对城市空气污染的加剧,加上石油资源的有限性,为了生存使人们投资电动汽车和寻求替代能源。

但是,它们都需要能够存储大量能量的强大电池做支撑,而当时市面上只有重铅电池和镍镉电池两类可充电电池,是Stanley Whittingham把金属锂带入了电池,使它成为了故事的主角。Stanley Whittingham的实验创造出了在室温下工作的可充电锂电池,并在之后表现出巨大潜力。

John B. Goodenough,被誉为“锂电池之父”,他是锂钴氧和磷酸铁锂正极材料的发明人。现年97岁的John B. Goodenough是美国教授兼固态物理学家,美国科学院和工程院两院院士,目前是得克萨斯大学奥斯汀分校机械工程和材料科学教授。他的此次获奖创下了目前为止最高龄诺贝尔奖得主记录。

John B. Goodenough 了解到Stanley Whittingham的革命性电池,他预测电池阴极用金属氧化物取代金属硫化物,会提高电池的效率。到了1980年John B. Goodenough发现新的材质氧化钴,开始在锂电池的正极中使用钴酸锂,并发表论文介绍了这种新型正极材料,他将电池的潜力翻了一番,为锂电池商用的可能垫下了关键一步。

此后,在他75岁那年(1997年),他又研究出了另外一种之后震动世界的锂电池正极材料-磷酸铁锂,为钴酸锂存在稳定性和高成本的问题提供了新的材料解决方案。

而Akira Yoshino则是制造首款商业上可行的锂离子电池之人。他是智能手机和电动汽车使用的锂离子电池的开发者、旭化成公司研究员。

Akira Yoshino最初在Goodenough的基础上,用钴酸锂作为电池的正极,并尝试使用各种碳基材料作为负极。1985年,Akira Yoshino成功地从电池中消除纯锂。他采用锂离子作为材料,负极中使用石油工业的副产品——石油焦,开发了第一个商业上可行的锂离子电池。为此后锂离子电池在手机、电脑、MP3等电子厂品的应用起到关键作用。

2019年John B. Goodenough、M. Stanley Whittingham和Akira Yoshino共获此殊荣,从锂电池带给我们生活的变化和影响看,这个领域能获奖也是众望所归,而他们三位对“对锂离子电池发展”的贡献之大,获此殊荣更是实至名归。

锂离子电池发展至今,其表现出的巨大应用潜力有目共睹。据统计,2018年全球锂离子电池产量达188.8GWh,其中仅中国的产量就高达102GWh,已超过世界产量的一半。然而我国锂电产业的部分上游原材料的国产化配套却略显不足,以高能量密度正极材料、电解铜箔、铝塑膜等为代表的关键材料在中国市场显示出良好的发展前景。

关于锂电池与锂离子电池

1 锂电池

锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池,它的比能量极高,但是有安全隐患。锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯,负极材料是锂。电池组装完成后电池即有电压,不需充电。这种电池也能充电,但循环性能不好,在充放电循环过程中,容易形成锂枝晶,造成电池内部短路,所以一般情况下这种电池是禁止充电的。

2 锂离子电池

锂离子电池(Lithium Ion Battery,Lion)是指以锂离子为反应活性物质的可充式电池,当电池放电到终止电压后能够再充电,以恢复到放电前的状态。锂离子电池通过涂布在电极上的活性材料存储和释放锂离子,即通过锂离子在电极活性材料上的脱嵌来储存电能。锂离子电池的本质实际上是利用锂离子的浓度差进行储能和放电,电池中不存在金属锂,其安全性要比锂电池好,而锂离子电池的比能量要低于锂电池的比能量。

3 锂电池和锂离子电池的区别

理论上,锂电池和锂离子电池是不同的概念。使用锂金属作为电极材料的电池称为锂电池,属于一次电池,用完就扔,不可以重复使用。锂离子电池的正极材料是氧化钴锂(或其他锂金属氧化物),负极材料是碳材,为了区别于传统意义上的锂电池,称之为锂离子电池。锂离子电池是二次电池,可以充电重复使用,也就是我们常见的充电电池。日常生活中,很多人把两者混了,把锂离子电池简称为锂电池,就导致了概念的混淆。

锂电池和锂离子电池在电化学上也有一个非常大的区别,那就是放电电压。通常,锂电池的放电平台是3.0 V,故很多照相机的锂电池的标称电压都是3.0 V的,手机后备锂电池也是3.0 V。而锂离子电池平均的放电平台却是3.6～3.8 V之间。目前大多数的手机锂离子电池标称电压都是3.7 V,部分已经是3.8 V了。利用这个标称电压也可以区别锂离子电池和锂电池。生活中称照相机、笔记本电脑和手机上用的电池为可充电锂电池或锂电池是不严格的称法,称为锂离子电池和简写为Li-ion或Li+才是正确的表示方法。锂电池的简写是Li,没有+(正离子符号)。