鋰電池，電子工業(yè)中最偉大的發(fā)明

楊震

2020年12月英國(guó)首個(gè)純電動(dòng)汽車充電站在布倫特里開(kāi)業(yè)，不少新能源汽車來(lái)到這里體驗(yàn)鋰電池的快充功能。

人類的文明史很大程度上是由能源支撐的。從農(nóng)業(yè)文明發(fā)展到信息文明，人類社會(huì)的能源也從生物能源拓展到化石能源、核能、風(fēng)能等多種形式。就當(dāng)前來(lái)說(shuō)，能源問(wèn)題已經(jīng)開(kāi)始深刻影響我們所居住的這顆藍(lán)色星球的面貌——與能源緊張、人口增加有千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。能源價(jià)格不斷上漲，增加了消費(fèi)者的負(fù)擔(dān)，增加了農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的成本。將農(nóng)耕地轉(zhuǎn)為生產(chǎn)生物燃料不但對(duì)解決問(wèn)題助益有限，而且可能鬧得能源、糧食兩頭吃緊。氣候變化方面，降雨失常、積雪冰川消融引起的季節(jié)性泛濫，都加劇了水資源短缺的狀況，導(dǎo)致世界很多地區(qū)農(nóng)業(yè)遭殃。能源和環(huán)境因素共同作用，還使得其他很多問(wèn)題日益突出，而最大的危險(xiǎn)可能是多重壓力交織并發(fā)。這種前所未有的綜合征將使決策者們承受巨大壓力，難以及時(shí)采取行動(dòng)來(lái)趨利避害。從人類本身來(lái)說(shuō)，能源轉(zhuǎn)化成能量的儲(chǔ)存方式也具有很重要的意義，而電池就是一種普遍的儲(chǔ)存載體，甚至是一種最重要的載體。近年來(lái)，鋰電池作為一種非常普遍且技術(shù)含量頗高的電池，越來(lái)越為人們所熟知。

諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主們與鋰電池??

2019年10月9日，瑞典皇家科學(xué)院宣布將2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予“鋰電池三杰”：斯坦利·惠廷漢姆、約翰·古迪納夫、吉野彰，以表彰他們?cè)阡囯姵匮芯块_(kāi)發(fā)方面的卓越貢獻(xiàn)。評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)稱，他們?yōu)槿祟悗?lái)“前所未見(jiàn)的強(qiáng)大電池”，創(chuàng)造了一個(gè)“可充電的世界”。如果沒(méi)有他們發(fā)明的鋰電池，“就不會(huì)有今天的智能手機(jī)、平板電腦或筆記本電腦”。而這3位得主都擁有堪稱不平凡的人生經(jīng)歷和科研歷程。

惠廷漢姆是鋰電池的發(fā)明者，他采用硫化鈦?zhàn)鳛檎龢O材料，金屬鋰作為負(fù)極材料，制造了首個(gè)小型化鋰電池，電流為2v。同樣質(zhì)量下，鋰電池能比其他電池儲(chǔ)存更多的電能，因此很受市場(chǎng)青睞，比如當(dāng)時(shí)“大哥大”手機(jī)使用的就是這種鋰電池?；萃h姆邁出了可貴的第一步。不過(guò)，惠廷漢姆的鋰電池用金屬鋰作為電極材料，在使用過(guò)程中存在嚴(yán)重的安全隱患。據(jù)了解，金屬鋰是世間最活潑的元素之一，甚至與氮?dú)舛寄馨l(fā)生反應(yīng)，生產(chǎn)組裝過(guò)程中稍有不慎，泄進(jìn)了空氣，輕則電池報(bào)廢，重則起火燃燒，因此無(wú)法投入規(guī)模生產(chǎn)。在北美問(wèn)世還不到半年，這種鋰電池就因?yàn)槎嗥鹌鸹鸨ㄊ鹿识徽倩亍?/p>

這時(shí)候，古迪納夫開(kāi)始登場(chǎng)。與諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者楊振寧是同學(xué)的古迪納夫本在耶魯大學(xué)學(xué)習(xí)哲學(xué)和古典文學(xué)，一次偶然的機(jī)會(huì)跨入化學(xué)研究的大門。在芝加哥大學(xué)物理系獲得博士學(xué)位后，古迪納夫被推薦去了麻省理工的林肯實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行關(guān)于內(nèi)存材料的物理研究。在這里，他對(duì)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，這個(gè)技術(shù)就是后來(lái)的電腦內(nèi)存。值得一提的是，在此期間，他第一次接觸到了電池，不過(guò)當(dāng)時(shí)他研究的還是鈉硫電池。1976年，他又跳槽去了牛津大學(xué)，從此之后開(kāi)始大放異彩。

1980年，古迪納夫嘗試用鈷酸鋰與石墨組成新的鋰電池。古迪納夫的新電池?fù)碛懈〉捏w積、更大的容量和更加穩(wěn)定的使用方式，因此頗受市場(chǎng)歡迎。古迪納夫研制鈷酸鋰來(lái)取代金屬鋰，既解決了電池的安全性問(wèn)題，又降低了電池的制造成本，實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池技術(shù)的革命性突破。但牛津大學(xué)并沒(méi)有重視古迪納夫的研究，于是古迪納夫把專利送給了牛津大學(xué)附近的政府實(shí)驗(yàn)室。接著，專利又被索尼公司買走繼續(xù)開(kāi)發(fā)，成了今天各種便攜設(shè)備電池的基礎(chǔ)。今天，鋰離子電池至少有價(jià)值350億美元的市場(chǎng)，而古迪納夫沒(méi)有拿到這些錢，但他并不在意這件事。他說(shuō)：“反正我做這個(gè)的時(shí)候也不知道會(huì)這么值錢……我只知道這是件我應(yīng)該做的事情?！?983年，古迪納夫發(fā)現(xiàn)錳尖晶石是優(yōu)良的正極材料。這種材料的分解溫度高，且氧化性遠(yuǎn)低于鈷酸鋰，即使出現(xiàn)短路、過(guò)度充電，也能夠避免燃燒、爆炸的危險(xiǎn)。截至2013年，錳尖晶石已經(jīng)被用于商業(yè)電池。1997年，古迪納夫發(fā)現(xiàn)了磷酸鋰鐵LFP正極材料，它的晶體結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，使用壽命更長(zhǎng)，充電也更快。因此古迪納夫也被稱為“鋰離子電池之父”。

在2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的3位獲獎(jiǎng)?wù)咧?，被譽(yù)為“日本鋰電池之父”的吉野彰是日本自21世紀(jì)以來(lái)的獲得諾獎(jiǎng)的第19位科學(xué)家。這位生于日本大阪府的科學(xué)家1948年出生，高中畢業(yè)后考入京都大學(xué)工學(xué)部，攻讀石油化學(xué)專業(yè)，此后又繼續(xù)進(jìn)修工學(xué)研究科碩士課程。2005年，吉野獲得了大阪大學(xué)研究生院工學(xué)研究科博士學(xué)位。從1972年至2017年，吉野在有名的旭化成株式會(huì)社，先后擔(dān)任與鋰電池開(kāi)發(fā)運(yùn)營(yíng)相關(guān)的事業(yè)部負(fù)責(zé)人。1972年進(jìn)入旭化成公司時(shí)，吉野一直在一線工作，并未從事研究工作。直到進(jìn)入1980年代，由于手機(jī)和筆記本電腦的出現(xiàn)，體積大且容量不足的鎳鋅電池已經(jīng)無(wú)法滿足需求，對(duì)大容量且輕巧的充電電池的需求變得越來(lái)越迫切，于是專業(yè)對(duì)口的吉野才被調(diào)入旭化成公司川崎技術(shù)研究所，真正開(kāi)始從事研究工作，重點(diǎn)就是研發(fā)新型大容量充電電池。

當(dāng)時(shí)，市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了以金屬鋰為負(fù)極的鋰電池，但可充電的鋰電池尚未投入應(yīng)用。在這種情況下，吉野率領(lǐng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始攻克鋰電電池充電的難題。為解決鋰電池自燃這一難題，吉野與同事們絞盡腦汁，不遺余力地研究對(duì)策。在使用有機(jī)溶媒成功將白川英樹(shù)（2000年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主）發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)電聚合物作為充電電池負(fù)極，并且對(duì)電池試制品進(jìn)行“重鐵塊沖擊”“步槍射擊”等殘酷實(shí)驗(yàn)后，吉野的研發(fā)團(tuán)隊(duì)終于解決了電池自燃自爆的安全問(wèn)題。

20世紀(jì)末到21世紀(jì)初，幾乎所有新出現(xiàn)的文明機(jī)器大都由鋰電池驅(qū)動(dòng)。目前，全球每年生產(chǎn)和使用的鋰電池超過(guò)10億個(gè)，已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)的基本能源，并廣泛使用于汽車和飛機(jī)中。目前普遍使用的鋰電池的原型都是由吉野開(kāi)發(fā)出來(lái)的，其基本結(jié)構(gòu)和制造工藝等所有的專利均屬旭化成公司所有。特別是隔膜這一鋰離子電池核心部件，可謂鋰電池的生命線，在技術(shù)處理上尤為困難，當(dāng)然利潤(rùn)也相當(dāng)高，而這項(xiàng)技術(shù)至今仍由旭化成公司牢牢掌握，占據(jù)著絕對(duì)領(lǐng)先的市場(chǎng)份額。這均應(yīng)歸功于吉野的研發(fā)貢獻(xiàn)?？梢哉f(shuō)，惠廷漢姆使鋰電池橫空出世，古迪納夫讓它變得更為輕巧、性能更好，而吉野彰則使其商業(yè)化。

鋰電池的大本事?

如今，人類已經(jīng)須臾不能離開(kāi)鋰電池。具體來(lái)說(shuō)，鋰電池儲(chǔ)能技術(shù)適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用范圍和場(chǎng)景廣闊，具有能量密度大、自放電小、無(wú)記憶效應(yīng)、工作溫度范圍寬，以及可快速充放電、使用壽命長(zhǎng)、環(huán)境污染小和不受地形等自然條件限制等優(yōu)點(diǎn)，是目前儲(chǔ)能產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中適應(yīng)性最好的技術(shù)路線，可以勝任各種復(fù)雜的場(chǎng)景，在發(fā)電側(cè)、用戶側(cè)、電網(wǎng)側(cè)等主要儲(chǔ)能領(lǐng)域均有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

首先是民用領(lǐng)域。鋰電池大顯身手的首要領(lǐng)域應(yīng)該是電動(dòng)汽車。當(dāng)前無(wú)論是我國(guó)還是西方國(guó)家，新能源汽車的主流技術(shù)路線都以純電動(dòng)汽車為主。而純電動(dòng)汽車的核心在于“三電”系統(tǒng)，即動(dòng)力鋰電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電控系統(tǒng)，這其中動(dòng)力鋰電池不僅在成本上占比很高（普遍占到新能源整車成本的一半以上），更由于其直接影響著新能源汽車的續(xù)航里程、技術(shù)方向和商業(yè)價(jià)值，因此動(dòng)力鋰電池不僅是純電動(dòng)汽車的核心零部件，而且可以稱之為新能源汽車的靈魂。甚至可以毫不夸張地說(shuō)，動(dòng)力鋰電池的技術(shù)成敗就直接決定著新能源汽車（純電動(dòng)）未來(lái)的成敗。

其次是軍用領(lǐng)域。在軍用領(lǐng)域，鋰電池廣泛應(yīng)用于水下機(jī)器人、陸軍士兵系統(tǒng)、機(jī)器戰(zhàn)士、無(wú)人機(jī)、衛(wèi)星等領(lǐng)域，特別是常規(guī)動(dòng)力潛艇。常規(guī)動(dòng)力潛艇可在近海及遠(yuǎn)洋區(qū)域執(zhí)行反潛、反艦、巡邏、警戒、編隊(duì)護(hù)航、封鎖、破壞海上交通線、情報(bào)收集與監(jiān)視、布雷和特種作戰(zhàn)等多項(xiàng)任務(wù)。世界上最先進(jìn)的常規(guī)動(dòng)力潛艇當(dāng)屬日本的“蒼龍”級(jí)。該級(jí)潛艇采用了一項(xiàng)黑科技，就是把傳統(tǒng)的鉛酸電池?fù)Q為鋰電池。據(jù)軍事專家曹成俊介紹，相比較鉛酸蓄電池，鋰離子蓄電池具有許多不可比擬的優(yōu)勢(shì)。首先是比能量高。鋰離子蓄電池的體積比能量與重量比能量均是鉛酸蓄電池的3倍以上，在同等體積下，鋰離子蓄電池既減輕了重量又儲(chǔ)備了更多電能，該特點(diǎn)更適宜在潛艇中應(yīng)用，有利于增加潛艇電池的總能量。其次是易于實(shí)現(xiàn)快速充電。鋰離子蓄電池具有較寬的充電功率范圍，可實(shí)現(xiàn)在20分鐘至1小時(shí)的時(shí)間內(nèi)充電完畢，有助于減小潛艇暴露率，有效提高其隱蔽性能，降低被敵人發(fā)現(xiàn)的概率，而現(xiàn)有鉛酸蓄電池還無(wú)法達(dá)到這一要求。再次是使用安全穩(wěn)定。由于鋰離子蓄電池不含金屬鋰，因此，在充放電過(guò)程中，只需鋰離子嵌入與脫出，這樣可使電池過(guò)熱和內(nèi)部短路的概率降到最低，進(jìn)而大幅提高其安全與穩(wěn)定性能，可在復(fù)雜環(huán)境下，為潛艇提供可靠的電能保證，以滿足潛艇推進(jìn)系統(tǒng)的安全要求。最后是維護(hù)更加簡(jiǎn)便。鋰離子蓄電池?zé)o記憶效應(yīng)，在充電前無(wú)需放電，其自放電率通常小于5%每月，不需要進(jìn)行周期治療，且循環(huán)壽命最高可達(dá)2000次。而鉛酸蓄電池則有記憶效應(yīng)，每次在充電前，需將上次剩余電量排放徹底，其自放電率通常為15%至30%每月，需要進(jìn)行周期治療，且其循環(huán)壽命相對(duì)較短，通常在200次至500次之間。因此，用鋰離子蓄電池取代鉛酸蓄電池，不需要對(duì)電池進(jìn)行例行的深度放電與周期治療，使其維護(hù)更加簡(jiǎn)單。

此外，雖然鋰離子蓄電池成本較鉛酸蓄電池要高，但由于其循環(huán)壽命較后者長(zhǎng)，因而鋰離子蓄電池的全壽命費(fèi)用相對(duì)較低，從潛艇全壽命使用過(guò)程來(lái)看，使用該電池具備更高的性價(jià)比。因此，鋰電池在蒼龍級(jí)潛艇上的創(chuàng)新性應(yīng)用，不僅可以有效降低被敵人發(fā)現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，而且在一定程度上大幅提高了作戰(zhàn)效能?？梢灶A(yù)見(jiàn)，該技術(shù)的革新，必將使蒼龍級(jí)潛艇的綜合性能步入更高水平。

獲得2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的“鋰電池三杰”。從左到右依次為：斯坦利·惠廷漢姆、約翰·古迪納夫、吉野彰。

鋰電池的未來(lái)之路

隨著“隔墻售電”、虛擬電廠、能源大數(shù)據(jù)、現(xiàn)貨市場(chǎng)等新興領(lǐng)域崛起，鋰電池的商業(yè)價(jià)值將會(huì)進(jìn)一步提高。未來(lái)十年全球儲(chǔ)能市場(chǎng)將蓬勃發(fā)展，到2030年儲(chǔ)能市場(chǎng)規(guī)?；蜻_(dá)4260億美元。儲(chǔ)能加新能源將成為網(wǎng)源的重要支撐。從未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)看，鋰電池應(yīng)用范圍將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。目前，鋰電池作為二次充電電池的主流主要應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦、便攜式移動(dòng)電子設(shè)備以及電動(dòng)自行車甚至電動(dòng)兒童游樂(lè)車等。未來(lái)，隨著可穿戴設(shè)備的廣泛運(yùn)用，其應(yīng)用范圍將會(huì)擴(kuò)大。此外，其容量也會(huì)進(jìn)一步提升。如前文介紹的古迪納夫，他現(xiàn)在正在研究一種可以讓電動(dòng)汽車與內(nèi)燃機(jī)汽車相匹敵的超級(jí)電池，這種電池還能儲(chǔ)備太陽(yáng)能和風(fēng)能，其容量將會(huì)得到進(jìn)一步提升。

鋰電池作為最主要的可充電、便攜式能量源，影響著我們生活的方方面面。鋰電池和晶體管一起被視作電子工業(yè)中最偉大的發(fā)明，鋰電池產(chǎn)業(yè)已經(jīng)接近年產(chǎn)幾十億美元，為人類的日?；顒?dòng)提供著源源不斷的動(dòng)力。未來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，它還會(huì)進(jìn)一步改變這個(gè)世界的面貌。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（責(zé)編：南名俊岳）