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锂电池获诺奖之际,如何看待新能源汽车的未来

阅读量: 4753 时间:2019-11-22 21:28:04

  

作者|傅宏远

编辑|周对周

北京时间10月9日下午,2019年诺贝尔化学奖揭晓。三位对改变人们生活的锂电池做出杰出贡献的科学家获得了该奖项。他们是:斯坦利·惠廷翰先生,约翰·宾汉姆顿纽约州立大学教授。得克萨斯大学奥斯汀分校教授古德诺和日本美州大学教授吉野昭夫。在15年内,他们三人接力制造商用锂离子电池。

目前,该技术已广泛应用于智能手机和笔记本电脑等电子消费品。随着电动汽车的发展,锂离子电池的应用领域再次扩大,变得越来越重要。

早在1970年,斯坦利·惠廷汉姆(m. stanley whittingham)就使用硫化钛作为正极材料,锂金属作为负极材料,制造了第一个小型化锂电池。由于缺乏合适的材料,最初的锂电池不稳定,容易爆炸。他也被认为是最早的锂离子电池“先驱”。

然后在1989年,约翰·古德托(John B . Goodtoy)提出用金属氧化物制作电池的正极,这大大提高了锂电池的性能和安全性。

锂电池的发展(来源:诺贝尔奖官方网站)

直到1985年,第三位诺贝尔奖获得者阿基拉提出将金属锂和碳材料结合起来作为电池的负极。他还成功地从电池中取出了纯锂,并用基于比纯锂更安全的锂离子代替。这真正解决了锂离子电池的安全问题,使技术商业化。

随着锂离子电池的商业化,锂离子电池真正进入了商业领域,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,锂离子电池无处不在。与其他商用充电电池相比,锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、工作温度范围宽、安全可靠等优点,已成为各国科学家的研究方向。

早在1881年,法国工程师古斯塔夫·特鲁夫就发明了世界上第一辆铅酸蓄电池驱动的电动三轮车,开创了电动汽车。由于当时内燃机的改进和石油的大规模开采,电动汽车没有成为主流。后来,锂电池的出现使电动汽车变得可行。1997年,日产推出了普拉亚乔伊,这是世界上第一款配备锂离子电池的电动汽车。从那以后,越来越多的汽车公司开始尝试开发锂离子电池电动车。

随着新四个现代化的到来和电动汽车的大趋势,锂离子电池的主要领域将会出现,并成为电动汽车的一个重要组成部分——动力电池,它将被一颗不同的“心”所“重新定义”。

目前,成功开发并应用于动力电池的负极材料主要有磷酸铁锂、三元材料锰酸镍钴锂(ncm)和铝酸镍钴锂(nca)。

磷酸铁锂的能量密度在90 Wh/kg和120 Wh/kg之间。其优点是无有害元素,成本低,安全性好,循环寿命可达1万次。然而,其缺点是显而易见的,即能量密度低,并且动力电池不能提供更长的耐久性。因此,磷酸铁锂动力电池现在主要应用于电动公交车和商用车,早先开发磷酸铁锂动力电池的比亚迪将不再将其应用于乘用车。

目前,镍钴锰酸锂(ncm)和镍钴铝酸锂(nca)等三元材料广泛应用于乘用车。镍、钴和锰的不同配置可以给材料带来不同的性能。常见比率为ncm111、523、622、811等。

相比之下,nca用铝代替前者中的锰,在一定程度上提高了材料的结构稳定性。该方案铝含量较少,可近似视为二元材料,目前只有特斯拉汽车采用。主要型号是18650和21700。

在三元电池中,镍的含量决定了动力电池的续航时间。镍含量越高,开发越困难。同时,三元材料会随着镍含量的增加而变得不稳定,盲目增加镍含量也会导致容量衰减和安全问题。因此,高镍材料的改性技术是一个重要的发展方向。

未来的路线是ncm811还是nca?这取决于先克服该材料的技术难题,才能实现大规模生产。

就制造商而言,锂离子动力电池制造商目前主要集中在中国、日本和韩国。公司包括日本松下、韩国三星、韩国sk和lg、中国宁德时报和比亚迪。这些企业占据主要市场份额,被认为是世界领先的电动汽车动力电池公司。

随着许多传统汽车公司的转型,动力电池已成为巨大的商业潜力。作为中国动力电池企业的领导者,宁德的盈利能力已经超过了许多传统汽车制造商。

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