改變我們生活的鋰離子電池 | 第三講：獲得諾貝爾獎(jiǎng)以及鋰離子電池的普及史

本系列文章，我們?cè)趶氖绿岣唠姵匦阅苎芯?0多年的東京工業(yè)大學(xué)特命教授菅野了次先生的監(jiān)修下，從什么是鋰離子電池、到被稱為下一代鋰離子電池的全固態(tài)電池的研究狀況，做一個(gè)全面介紹專題。

這里是第三講，談?wù)?a href="http://ttokpm.com/v/tag/2692/" target="_blank">鋰電池發(fā)明獲得諾貝爾獎(jiǎng)的事兒以及鋰離子電池的普及史。

監(jiān)修人：菅野了次

東京工業(yè)大學(xué) 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)成研究院 特命教授（名譽(yù)教授）

菅野了次先生于1980年大阪大學(xué)研究生院理學(xué)研究科無機(jī)及物理化學(xué)專業(yè)課程結(jié)業(yè)。1985年成為理學(xué)博士。任神戶大學(xué)理學(xué)部副教授后，2001年任東京工業(yè)大學(xué)研究生院綜合理工學(xué)研究科教授，2016年任該大學(xué)物質(zhì)理工學(xué)院教授，2018年任該大學(xué)科學(xué)技術(shù)創(chuàng)成研究院教授、全固態(tài)電池研究組組長(zhǎng)，2021年任該科學(xué)技術(shù)創(chuàng)成研究院特命教授、全固態(tài)電池研究中心主任。

1. 鋰離子電池研發(fā)還獲得了諾貝爾獎(jiǎng)

2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C予了為鋰離子電池的研發(fā)做出貢獻(xiàn)的工程師吉野彰、物理學(xué)家約翰·古迪納夫、化學(xué)家斯坦利·惠廷厄姆三位研究人員。

鋰離子電池為何會(huì)在世界上受到如此關(guān)注，甚至獲得了諾貝爾獎(jiǎng)？

可以說其原因就在于鋰離子電池的實(shí)用化，不僅在電池發(fā)展史上，在人類歷史上也有著重要的意義。

如果像鋰離子電池這樣小型輕量的二次電池沒有實(shí)用化，大家所用的智能手機(jī)和電腦可能就不會(huì)像現(xiàn)在這么小。電動(dòng)汽車充一次電能開的距離也會(huì)很短，實(shí)用化就可能遙遙無期。其他像現(xiàn)在不僅在航空拍攝，在高空巡視、物流運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)領(lǐng)域都看好的無人機(jī)之類的新工具可能也不會(huì)問世。

鋰離子電池實(shí)現(xiàn)了鉛蓄電池、鎳鎘電池和鎳氫電池難以達(dá)到的小型輕量化，孕生出了甚至能改變社會(huì)機(jī)制的各種工具。諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C予三位研究人員，不單是表彰他們?cè)陔姵亻_發(fā)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)，也包含這種對(duì)人類社會(huì)發(fā)展的貢獻(xiàn)。

其實(shí)在獲得諾貝爾獎(jiǎng)之前，鋰離子電池在2014年曾獲得被譽(yù)為工程學(xué)界諾貝爾獎(jiǎng)的“查爾斯·斯塔克·德拉普爾獎(jiǎng)”。表彰約翰·古迪納夫、西美緒、Rachid Yazami、吉野彰為鋰離子電池的普及和基本結(jié)構(gòu)開發(fā)做出的貢獻(xiàn)。

2. 鋰離子電池的歷史

可以說在人類歷史上留下濃墨重彩的一筆的重大發(fā)明——鋰離子電池是如何問世的呢？

將鋰用于電池的技術(shù)是1976年由當(dāng)時(shí)美國(guó)石油公司的技術(shù)人員惠廷厄姆提出的。那時(shí)的結(jié)構(gòu)為正極材料使用二硫化鈦，負(fù)極材料使用鋰。然而二硫化鈦與鋰組合的電池?zé)o法作為二次電池穩(wěn)定地工作。因此鋰電池作為釣魚用的浮標(biāo)電池和一次性相機(jī)的閃光燈電源等不能充電的一次電池實(shí)用化。

到了1980年，研究鋰電池的古迪納夫提出了用鈷酸鋰作為正極材料，次年吉野提出鈷酸鋰正極與碳基材料負(fù)極的組合方式。

1983年古迪納夫證實(shí)廉價(jià)的錳酸鋰也能用作正極材料，其后吉野發(fā)明了正負(fù)極之間離子穩(wěn)定移動(dòng)的技術(shù)，奠定了鋰離子電池作為二次電池實(shí)用化的基礎(chǔ)。

到了1990年代，手機(jī)、筆記本電腦等個(gè)人設(shè)備所用的鋰離子電池上市發(fā)售。最初被手機(jī)行業(yè)所用，其后廣泛用于便攜式音響、筆記本電腦。采用鋰離子電池的原因在于因設(shè)備本體小型化，所需電壓下降，原本需要5.5V現(xiàn)在只需3V。由此與使用三節(jié)只能輸出1.25V電壓的鎳鎘電池相比，使用一節(jié)能輸出3V以上電壓的鋰離子電池效率更好。

繼90年代信息技術(shù)相關(guān)商品的移動(dòng)化之后，2006年后的ET（Environment Energy）革命推動(dòng)了電動(dòng)汽車需求高漲，具有適合電壓高、能量密度大等汽車用二次電池性能的鋰離子電池也被用于電動(dòng)汽車相關(guān)用途。

就這樣鋰離子電池被廣泛用于各種商品，隨著產(chǎn)量的增加，成本下降，使用場(chǎng)景越來越廣。

3. 讓鋰離子電池得以普及的電池壽命

鋰離子電池被廣泛采用的原因可以說也在于與其他的二次電池相比，壽命長(zhǎng)這一特點(diǎn)。那么鋰離子電池的壽命到底比其他電池長(zhǎng)多少呢？

有幾個(gè)因素決定電池的壽命。鋰離子電池在放電時(shí)，其反應(yīng)與其他的二次電池發(fā)生的電池反應(yīng)有所不同，因此鋰離子電池電極老化少。此外能反復(fù)充放電，自放電小也是延長(zhǎng)壽命的因素。

如果用數(shù)值來表示電池壽命，使用循環(huán)次數(shù)和日歷壽命。循環(huán)次數(shù)表示如果將電池從放電到極限，充電量衰減到0％的狀態(tài)充滿電到100％，然后完全放電到0％的狀態(tài)作為一個(gè)循環(huán)，能反復(fù)充放電的次數(shù)。日歷壽命表示電池在規(guī)定的充電狀態(tài)下即使擱置也能使用的時(shí)間。

電池廠家、產(chǎn)品、工作環(huán)境和狀況、維護(hù)條件等各種因素影響著這些表示電池壽命的數(shù)值，不能一概而論地歸究于某一個(gè)。例如從經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省發(fā)布的“蓄電池戰(zhàn)略”資料來看，鉛蓄電池的循環(huán)次數(shù)為3,150次，日歷壽命為17年，鎳氫電池的循環(huán)次數(shù)為2,000次，日歷壽命為5～7年，鋰離子電池的循環(huán)次數(shù)為3,500次，日歷壽命為6～10年。

由此來看，雖然鉛蓄電池的壽命比鋰離子電池更長(zhǎng)，但看它裝到汽車上就知道了，鉛蓄電池又大又重，與鋰離子電池在大小和重量上根本無法相比。

4. 發(fā)展著的鋰離子電池

鋰離子電池的基本構(gòu)成雖然自1983年吉野發(fā)明正負(fù)極之間離子穩(wěn)定移動(dòng)的技術(shù)并無多大改變，但在材料和能儲(chǔ)蓄的電量、重量上有了改進(jìn)。

正極材料從采用1980年古迪納夫提出的鈷系鋰，到采用錳系、鎳系、鐵系等材料，可見成本下降和循環(huán)壽命的變化。

至于材料之外的其他方面，為了能更多地儲(chǔ)蓄電量，電池內(nèi)盡量裝入材料，裝電池材料的外殼從不銹鋼改為疊層以期輕量化等，各個(gè)部分都不斷改良至今。

綜上所述、電池在研究人員的不懈努力下，技術(shù)不斷發(fā)展和成熟。

下一講，我們將談?wù)劚徽J(rèn)為最有希望成為下一代電池的“全固態(tài)電池”. 敬請(qǐng)期待！

審核編輯 黃宇