背景

2019年10月9日,位于瑞典斯德哥尔摩的瑞典皇家科学院,诺贝尔化学奖评奖委员会宣布:将2019年诺贝尔化学奖授予三位来自美国和日本的科学家,以表彰他们在锂离子电池研发领域所作出的贡献。而其中一位正是在物理化学课堂上被老师屡次提起的现已97岁高龄的“足够好先生”(John Goodenough)。

2019诺贝尔化学奖

其实,早在1980年Goodenough就已经根据钴酸锂的层状结构提出了锂离子电池的应用可能。可以说,锂离子电池经历了将近40年的探索、失败、再探索才成功获得了今日的成就。

Goodenough

本文将从锂离子电池的发展历史谈起,讲讲我对锂离子电池发展历史的思考。

锂离子电池概念的提出与初期发展

正如前文所述,早在1980年,Goodenough就已经提出了锂电池的应用可能,但当时的便携产品电池市场还被镍铬电池和负极使用锂的一次锂电池所占据,而同时由于科技水平限制的原因,锂离子电池的开发也是困难重重。

镍铬电池

但是随着人们对电池需求量以及对电池性能要求的逐渐增加,这个起源于19世纪末的发明已如西下的夕阳,而电池体系也需要新一次开发。

1982年,最早的SEI膜被发现,同年,最早的石墨负极研究初现成果,锂离子电池的正负极材料研发合璧,首个可用的锂离子石墨电池诞生;

1983年,足够好先生研究出锰酸锂可作为锂离子电池的优良正极;

1985年,索尼斥巨资投身锂离子电池产业,大力研发锂离子电池;

……

在1980-1991年间,锂离子电池遭遇了与包括镍氢电池、铅酸电池等的竞争,但也一直不断自我完善与发展,终于,1991年索尼收款商品化锂离子电池面世。

18650

可以说,锂离子电池的发展是时代的产物,是人类为满足自身需求上而进行的一种积极探索。有需求的地方就有科技创新,但同时创新也意味着与旧事物的敌对与对未知的探索。锂离子电池的诞生经历了十几年间的努力,而它的辉煌同样伴随着坎坷。

锂离子电池的辉煌时代

尽管锂离子电池有着生来就造价昂贵的“贵族病”,但因为其比能量密度高,还是吸引了不少厂家的注意。1994年戴尔就采购了索尼的锂离子电池,并将其用在了自家电脑上。自那年起,又陆续有铝壳锂离子电池、磷酸铁锂电池被推向市场。

磷酸铁锂

说到这里,有两点值得一提:一是发现磷酸铁锂商品化可能的是那个伟大的足够好先生;二是1995年索尼锂离子电池工厂发生火灾,这表明了当时的锂离子电池的安全性有待提升。

索尼工厂火灾

时间推进到1997年,世界上第一辆锂离子电池电动汽车问世。现在的国内电动汽车都还没有普及,可想而知比我早出生2年的纯电动车得有多先进。

之后的1999年聚合物锂离子电池实现商品化,2004年石墨烯研发成功,2009年锂离子电池产量超越“一生之敌”镍氢电池,2017年全固态电池被足够好先生带领的团队成功研发……

时至今日,锂离子电池的产量和市场占比仍然在不断爬升,按照中国报告大厅提供的数据,在2010至2018年短短8年之间中国锂电池产业量增加了将近80亿只,增长率高达297%。其更预测,到2022年,全球锂电池市场总需求量将达267亿美元!

中国锂电池产业量表

足够好先生在提出锂离子电池商业化的时候,可能没有想到,他的一个设想已经构筑了一个个的商业帝国,也推动了人们生活方式和便携式设备的一次次革命。

锂离子电池的黑历史&面临的问题与挑战

2006年索尼电池安全事故,一台戴尔笔记本突然起火,直接导致索尼耗费4.4亿美元召回近1000万只电池;

2013年波音787客机电池故障,经分析事故原因可能是锂离子电池在高空经历低温所致;

2016年三星Note7起火,至今都让手机用户对三星充满负面印象;

2017年Iphone8十连裂,让我国用户感慨,外国的手机也不一定都好。

辣鸡三星爆炸

除了黑历史,当今的锂离子电池也并不是说真的能永远称霸电池家族。一方面,钴酸锂、电解液价格由于供不应求而让锂离子电池本来就不低的成本还在上涨;另一方面,氢燃料电池无论是能量密度还是环保度都大幅优于锂离子电池,未来更有可能成为新能源电池的领头羊。

氢燃料电池

后记

锂离子电池的发展伴随的是人们对于电能不断膨胀的需求和化学家们对于真理的求索。锂离子电池的进步也直接推动了智能手机、个人电脑、电动汽车等新生事物的大革命。尽管它为我们带来了便利,但仍不可否认的是工厂爆炸、手机爆炸也说明其安全性还需要进一步的提升。

国内的锂离子电池发展神速,到现在已与日本、韩国三足鼎立瓜分市场。我们应当感到自豪,但在满足于现在的同时也需要放眼未来,瞄准氢燃料电池等新型电池。科技发展瞬息万变,唯有不断追赶最前沿的,才能在一段热潮过去之后,仍然立于不败之地。

足够好先生也用他的一生证明了哪怕一辈子只做好一件事,只要把它做到前无古人后无来者,都能在历史长河中留下自己的辉煌。

最后,想用在网上看到的一句话结束这篇文章:

纵览锂离子电池的四十年历史,这里既有技术产品的突飞猛进,也有探索尝试的起伏沉沦;不仅弥漫着企业间博弈的刀光剑影,更充斥着新旧技术更替所带来的血雨腥风。屹立于最后的王者,必须看得透行业发展的大势、经得起是非成败的千锤百炼。

参考资料

1、搜狐网-一张图看懂锂离子电池的前世今生

2、中国报告大厅-锂电池行业市场规模分析