锂电池获诺奖之际,如何看待新能源汽车的未来

原标题:锂电池获诺奖之际,如何看待新能源汽车的未来

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2019年的诺贝尔化学奖虽然是单一的锂电池奖项,但是其背后是以三位科学家为代表的科研力量的不断努力。

作者丨付洪远

编辑丨周到

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北京时间10月9日下午,2019年诺贝尔化学奖揭晓,三位在改变人们生活的锂电池上做出了杰出贡献的科学家获奖。

他们分别是:纽约州立大学宾汉姆顿分校教授斯坦利·威廷汉(M.Stanley Whittingham)、美国德州大学奥斯汀分校教授约翰·班宁斯特·古迪纳夫(John. B. Goodenough)以及日本名城大学教授吉野彰(Akira Yoshino)。在十五年的时间里,他们三人接力做出了商业化的锂离子电池。

目前,该技术已经广泛应用在智能手机和笔记本电脑等电子消费品上。而随着电动汽车的发展,锂离子电池再一次拓展了应用领域,并变得愈发重要。

锂离子电池的诞生

早在1970年,M·斯坦利·威廷汉(M. Stanley Whittingham)就采用硫化钛作为正极材料,金属锂作为负极材料制成首个小型化锂电池。由于没有选对材料,最初的锂电池不稳定极易爆炸。他也被认为是锂离子电池最早的“开拓者”。

随后1989年,约翰·B·古迪纳夫(John B Goodenough)提出,使用金属氧化物制成电池的正极,这大为提升了锂电池的性能和安全性。

锂电池的发展(来源:诺奖官网)

直到1985年,诺奖第三人——吉野彰(Akira )提出,将金属锂和碳材料组合在一起用作电池的负极。他还成功地从电池中去除了纯锂,用基于比纯锂更安全的锂离子取而代之。这才真正解决了锂离子电池的安全问题,将该技术正式商业化。

随着锂离子电池的商业化,锂电真正走商业中进并彻底改变了我们的生活,从我们使用的智能手机笔记本电脑到电动汽车,锂离子电池已经无处不在。

相比其他商业化的可充放电池,锂离子电池的高能量密度、高循环寿命、工作温度范围宽和安全可靠等优点,成为了各国科学家一直以来努力研究的方向。

早在1881年,法国工程师古斯塔夫·特鲁夫发明了全球第一辆以铅酸电池为动力的电动三轮车,开创了电动汽车的先河。因为当时内燃机的改良和石油的大面积开采,电动汽车并没有成为主流,后来锂电池的出现,才算是让电动车具有可行性。

1997年,日产汽车推出了全球第一辆装备锂离子电池电动车PrairieJoy,此后越来越多的车企开始尝试研发锂离子电池电动车。

随着新四化的,汽车电动化大趋势来临,锂离子电池的主场随之而临,成为电动车的重要组成部分——动力电池,用一颗不一样的“心脏”来重新“定义”汽车。

磷酸铁锂败落,三元锂电兴起

目前研制成功并应用到动力电池中的正极材料主要有磷酸铁锂、三元材料镍钴锰酸锂(NCM)和镍钴铝酸锂(NCA)。

磷酸铁锂的能量密度在90Wh/kg—120Wh/kg之间,其优点是不含有害元素,成本低廉,安全性非常好,循环寿命可达10000次,而缺点就较为明显,那就是能量密度低,不能让动力电池提供更长的续航能力。

因此,磷酸铁锂动力电池电池现在主要应用于电动大巴车和商用车上,而作为较早研发磷酸铁锂动力电池的比亚迪也不再将其应用到乘用车。

镍的含量决定三元锂电池的容量

三元材料镍钴锰酸锂(NCM)和镍钴铝酸锂(NCA)这种材料目前被广泛应用到乘用车上,镍、钴、锰三种元素的不同配置可为材料带来不同的性能,常见配比有NCM111、523、622、811等。

相比之下,NCA是将前者中的锰元素用铝元素来替代,一定程度上改善材料的结构稳定性。该方案铝含量较少,可近似看成是一种二元材料,目前只有特斯拉汽车采用。主要型号有18650和21700。

在三元电池中,镍的含量高低决定了动力电池的续航里程的高低,镍的含量越高开发难度越大。同时,三元材料还会随着镍含量提高变得不稳定,一味地提升镍含量还会造成容量衰减和安全问题。因此,对高镍材料的改性技术是重要的发展方向。

未来路线究竟是NCM811,还是NCA?那就要看那种材料的技术难关率先被克服可以实现大规模量产。

在厂商方面,目前锂离子动力电池生产厂家主要集中在中、日、韩三国。企业有有日本的松下,韩国的三星、SK、LG和中国的宁德时代、比亚迪。这些企业占据着主要被认为是目前全球电动汽车动力电池的龙头企业,占据着主要的市场份额。

随着众多传统车企转型,动力电池成为巨大的商业潜力。其中作为中国动力电池企业的老大,宁德时代的盈利能力已经超越不少传统汽车制造企业。

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