中国锂电池产业已是世界第一!
本文摘要:2019年诺贝尔化学奖授予了美国科学家约翰古迪纳夫、斯坦利惠廷厄姆和日本科学家吉野彰,以表彰他们在锂离子电池研发领域作出的贡献。... 关键字:锂离子电池 续航能力 电池循环。

  2019年诺贝尔化学奖授予了美国科学家约翰·古迪纳夫、斯坦利·惠廷厄姆和日本科学家吉野彰,以表彰他们在锂离子电池研发领域作出的贡献。锂电池,这种轻巧且可充电且性能强劲的电池,改变了人们的生活,也为构建一个零化石燃料使用的社会提供了可能。

  可有谁能想到,1991年日本第一个将锂离子电池产业化之后却不断萎缩,反倒是中国将这个产业一步一步做到了世界第一。这中间究竟发生了什么?锂离子电池为人类创造了一个新的可充电的世界,而以锂离子电池为基础构建的“电动中国”计划,则正在帮助我们摆脱对化石燃料的依赖。

  但是,如今,锂离子电池也面临诸多现实挑战,安全事故时有发生,续航能力有限,能量密度提升已接近上限,锂离子电池未来何去何从?面对固态电池、钠离子电池、氢氧燃料电池等电池新势力,谁才是未来的终极电池?

  早在2001年,汽车动力锂电池还不被大家所看好。当选中国工程院院士的陈立泉,向时任863计划电动汽车重大专项负责人万钢请求:“希望能给锂离子电池一个机会。”十年后,他成功地将锂电池材料研究这个曾被边缘化的冷门学科产业化,解决了锂离子电池规模化生产的科学、技术与工程问题,实现了锂离子电池从“中国制造”到“中国智造”的大转变,助推我国锂电池产业从并跑到领跑,实现了对日韩等锂电传统强国的超越。2007年陈立泉荣获国际电池材料协会终身成就奖,他开展的全固态锂电池、锂硫电池、锂空气电池、室温钠离子电池等研究,为开发下一代动力电池和储能电池奠定了基础。

  2019年诺贝尔化学奖的获得者分别是Whittingham(斯坦利·惠廷厄姆)Goodenough(约翰·古迪纳夫)以及日本的科学家Akira Yoshino(吉野彰),这三个人的贡献是不一样的。

  斯坦利·惠廷厄姆教授,实际上他刚开始是研究超导材料。关于超导材料他没有做什么工作,但是他发现硫化钛这个材料可以制成锂跟硫化钛电池,就是锂作负极。这种电池的安全性比较差,后来因为出了安全事故把一位日本小姐的脸烧了,后来这个公司就停了。

  之后约翰·古迪纳夫就合成了一种化合物叫钴酸锂,钴酸锂是一个层状化合物,可以做锂离子电池的锂源,它结构还是稳定的,这是古迪纳夫的贡献。吉野彰看了古迪纳夫1978年的文章以后,就想办法用它去做一种电池。它的负极不用金属锂,而是用碳纤维来做负极,做成这种电池,这种电池后来就叫锂离子电池。

  实际上锂离子电池已经改变了世界,改变最大的就是给我们日常生活带来了很多的方便的地方。诺贝尔奖在声明里头就说从智能手机、笔记本电脑等消费电子产品到电动车和风能、太阳能等大型的储能装置,如今锂离子电池已成为我们生活中不可或缺的能量源。我跟锂电池打交道大概有四十几年的时间,今天我想以锂电池与“电动中国”跟大家一起来交流。

  1我国锂电池产业是如何做到世界第一的?

  从2018年全球电动汽车电池企业市场份额的排名情况来看,前10名中排名第一的是宁德时代,就是CATL,第2名是日本的松下公司,第3名是比亚迪,一共10名。2018年,中国有6个锂电池企业位居动力电池世界市场占有率前十。宁德时代是百分之37.23%,稳居第一,日本松下公司只有21.54%,排名第二,但是差十几个百分点。

  中国锂离子电池产量为什么能够世界第一?这要从开始来讲起。

  中国锂电池研究并不晚,几乎和世界同步。1976年的圣诞节之前,科学院派遣我到西德。那个时候德国还没有统一,东德、西德是分开的。我到西德斯图加特马普固体所进修,当时我很快发现他们全所上下都在研究氮化锂晶体的性能,我感到很奇怪,为什么大家对氮化锂这么感兴趣?当时才知道氮化锂是一个离子导电的材料,据说是一种叫超离子的导体,可以用来作汽车的电池。我听到这句话之后马上在脑子里想了一下,我是不是要改方向。

  他们的研究所有个开门办所,有一天对社会开放,他们就把这个氮化锂,这一个类似于扣子似的小电池摆在桌子上,旁边放了一个铅酸电池。我一看,一个铅酸电池很沉,一个扣式电池很轻。我就想这个东西的确是很有用的,所以我马上就给国内所里打报告,我说我要改行,从晶体生长改到新的学科,叫固体离子学。大概一个月以后,所里给我回信,允许我改行。回国以后,科学院非常支持把这个项目给物理所,说应该给这个年轻人建个研究室,所以很快就成立了一个固体离子学实验室。这是当时国内第一个固体离子学实验室,也是物理所最小的一个实验室。我从事的工作就是锂离子导体和锂电池研究。

  1991年索尼公司宣布产业化以后,物理所迅速跟进了。当时我们就在思考怎样能够迈出产业化的第一步。我们做研究的单位是把钱变成知识,如果投资的单位是把技术变成钱。怎么想办法能把知识变成技术,就是怎么能够衔接上,我们提出了一个思路,就说能不能想办法让研究单位往前走几步,让投资单位往前走几步,我们在“桥”中间会合。所以就找了一个投资方,1993年签订了一个A型锂离子电池的研究开发协议,投资方给的经费是10万元钱,同时更重要的是派了三个人来。这三个人当时对我们有很大支持,因为当时实验室我就一个硕士生,人手很缺乏。

  很快1995年第1块锂电池就从中科院物理所诞生了。当时的这个手机叫“大哥大”,可能年纪稍稍大一点知道,“大哥大”就是像一个砖头一样的一个手机,当时拿个“大哥大”是一种身份的象征。A型锂离子电池就是“大哥大”的电池。中科院鉴定以后认为,当时这个水平达到世界先进水平,可以再进一步往下走,这就是当时我们在实验室怎么样从知识变成了技术,走出了这一步。

  现在有一种观点说锂电池是日本人发明的,中国在锂电池方面技术不行,只是在应用水平上比较领先。锂离子电池的发明肯定不是日本人,要不诺贝尔奖怎么是给两个美国人和一个日本人。所以说锂离子电池是日本人发明的这个话不完全对,可以说锂离子电池是日本人先产业化的,这句话是对的。

中国锂电池产业已是世界第一!
图为中国锂动力电池市场占有率 图片来源:中国经济大讲堂