2019 年諾貝爾化學獎授予鋰電池，這項技術如何改變了我們的生活？
電動汽車/3D打印
鋰電池的發現并不是人類科技樹的必然成果，而是一項古跡。
若是沒有 M. Stanley Whittingham)與 John B. Goodenough 英雄史詩一般的進獻，也許我們此刻還糊口在一個沒有鋰電池的宿世界里。
Goodenough 老爺子已經年近百歲，依然奮戰在科研一線，再不給他發個諾貝爾獎可能就來不及了！
他拿這個獎可以說是眾望所歸！
為什么這么說呢？來聽聽他們的故事吧！
鋰電池降生前的電動汽車
電動汽車的發現其實比內燃機汽車更早，直到 1912 年還在市場份額上據有優勢[1]。
后出處于電池手藝前進遲緩而被汗青裁減，墳頭草都有三尺高了！ 正常來說，一項手藝路線被裁減后，永遠出頭之日，例如液晶電視 vs 等離子電視。
電動汽車之所以可以或許在百年之后重返汗青舞臺，恰是因為鋰離子電池成長史上英雄人物輩出，奇思妙想的劃時代手藝沖破，力挽狂瀾地給電動汽車續上了命。
能量密度，繞不開的“鋰”
1859 年，法國人普蘭特于發現經典的鉛酸蓄電池，這是一條目很是當作功的發現，直到今天還被遍及利用。
可是，若是把它用到車上，就會表露出龐大的問題：能量密度太低！
有多低呢？ 給出下面這張圖來直不雅理解：左下角的 Lead-Acid 就是鉛酸蓄電池，與此刻常用的 NCM622 鋰離子電池比擬，重量能量密度與體積能量密度都低 4 倍擺布。
汽車的應用場景比力特別：
- 一是對體積比力敏感，誰也不想犧牲座艙與后備箱空間來裝電池；
- 二是對重量比力敏感，若電池能量密度太低，可能就要面對 1 噸的車 +2 噸的電池才能跑 500 公里的逆境，這不僅不經濟，從環保的角度來說也是不成接管的！
與鉛酸蓄電池相似，鎳隔電池、鎳氫電池的能量密度也沒改善幾多。若沒有新的高能量密度電池，電動汽車將永無出頭之日。
能量密度為啥低呢？
我們知道，電池充放電可以理解為氧化還原反映。
初中化學告訴我們：化學性質本家兒要由最外層的電子決議，內層電子都是光吃飯不干活；電子很輕倒也沒啥，但為了電荷均衡，不干活的內層電子也需要配上很重的質子。
打開元素周期表[2]，輕易找到鉛(Pb)在第 5 排，有 4 層不干活的電子；鎳(Ni)在第 4 排，有 3 層不干活的電子。這就從原子的角度決議了：鉛酸電池、鎳隔電池、鎳氫電池的能量密度潛力都是有限的！
為了削減懶漢數目，提高整體效率，我們仍是從元素周期表的前 2 行來找找潛力股：氫氦鋰鈹硼、碳氮氧氟氖。
知乎萬贊神文[3]闡發指出：氧與氟都是氧化劑，解除；氦、氖、氮都是惰性或準惰性氣體，解除；碳和氫其實就是石油，已經用過了，也做不當作充電電池，解除。
零丁放出知乎萬贊神文的鏈接，寫得很是好，保舉大師閱讀
那么就只剩下鋰、鈹、硼，它們的電子轉移數 / 原子量別離為 14%、22%、28%[3]。再考慮到 2 個身分：
- 鋰電極電勢是全元素周期表最低[4]：做當作電池后電壓最高；若轉移劃一數目電子(電流不異)，對應的功率也最高。
- 鋰元素的儲量比力高：如上面那張圖，地殼中鋰元素的品貌比鈹和硼要高一個數目級。
可能還有其它身分，但我不清晰。不管怎么說，大師告竣了一個共識：在造物本家兒的這個時空次元中，能量密度最高的充電電池，大要率是基于鋰元素做出來的！
惠廷漢姆： “辭別化學反映”的鋰離子電池
充電 / 放電陪伴著化學反映，例如鉛酸蓄電池在充電時：
在上面這個化學反映中，硫酸鉛釀成了鉛單質與氧化鉛，意味著化學鍵的斷裂與重組、物質布局的龐大轉變。
關于物質布局，大師熟悉的別的一個例子就是分歧布局的碳：金剛石、石墨、C60、碳納米管。
課間提問：石墨釀成金剛石，是物理反映仍是化學反映？
早期的鋰電池在工作時，也是陪伴著化學鍵的斷裂與重組，這也就是所謂的“鋰轉化”(Conversion)。
負極凡是為鋰金屬，發生的反映為：
等等，這個化學式怎么那么熟悉？ 這不就是導致電動汽車自燃的元兇“鋰枝晶”化學反映嗎[5]？
在當前的鋰離子電池中，鋰枝晶現象僅在超快充、過充等少少數異常景象下才發生，就已經有如斯大的風險。
早期鋰電池竟然以“鋰枝晶”為根基反映，把砒霜當當作便飯來吃，豈不長短常危險？
事實簡直如斯，售出數百萬早期鋰電池的加拿大公司 Moli Energy，一年之內發生數起平安變亂而破產。日本 NEC 將 Moli Energy 收購之后研究發現：這種以“鋰枝晶”為根基反映的早期鋰電池，在 5000 次輪回之后幾乎全數呈現故障掉效與平安變亂[6]！
以鋰金屬為負極的鋰電池，平安變亂不是偶爾是必然，不是個體是全數！這個結論將鋰電池打入冷宮，行業上下一遍灰心。站在這個時候點，幾乎沒人會相信，幾十年后電動汽車又能重返舞臺！
若是“鋰轉化”(Conversion)的手藝路線堅苦重重，那我們避開不就可以了嗎？ 說的輕易，要知道那時辰所有的充電電池，包羅鉛酸電池、鎳隔電池、鎳氫電池，都是基于“轉化”(Conversion)反映的！
時代在期待一位英雄，于是 M. Stanley Whittingham(邁克爾·斯坦利·惠廷漢姆)呈現了！
他指了然除“鋰轉化”(Conversion)之外的別的一個手藝路徑：鋰嵌入(Intercalation)。
通俗易懂地講：以特別的層狀材料作為宿本家兒(hosts)，鋰離子(Li+)作為客人(guests)可以較為隨意地嵌入（Intercalation）或脫出，根基不影響宿本家兒的物質布局。
在鋰嵌入(Intercalation)系統中，鋰離子不必再履歷疾苦的轉化(Conversion)。“辭別化學反映”之后，鋰離子變得瀟灑超脫良多，有詩為證：
輕輕地我走了， 正如我輕輕地來， 揮一揮手， 不帶走一片云彩。
當然，必需嚴厲地指出：鋰嵌入(Intercalation)中鋰離子看起來僅發生了物理活動，但素質上依然是化學反映。
鋰嵌入(Intercalation)帶來良多益處，大大提高了充放電反映的可逆性；也避免利用鋰金屬作為負極，提高了平安性。
從鋰轉化”(Conversion)到鋰嵌入(Intercalation)，是鋰電池的手藝革命。因為這個進獻，惠廷漢姆被稱為“鋰電之父”(Founding Father of rechargeable lithium ion battery)[7]。
最后要提一下的是，鋰嵌入(Intercalation)在電極電勢上占優勢，但在能量密度上占劣勢。
很輕易理解，若以鋰金屬作為負極儲存鋰離子，那材料操縱率必定很高。正因為如斯，基于鋰轉化”(Conversion)的鋰金屬電池手藝路線固然堅苦重重，但為了更高能量密度的鋰電池，此刻科學家們仍是硬著頭皮前赴后繼地投入研究。
Goodenough 師長教師：老驥伏櫪，志在千里
惠廷漢姆指了然鋰嵌入(Intercalation)的手藝偏向，但距離做出鋰離子電池還有很長的距離。鋰電池汗青上第二位英雄人物進場了，他的名字很出格： John Bannister Goodenough(約翰·班尼斯特·古迪納夫)。
以前讀論文，見到“Goodmann”(大好人師長教師)就已經讓我足夠受驚了，而這位巨匠的名字較著更勝一籌：“Goodenough“(足夠好的師長教師)。
沒有最好，無須更好，咱們只要“足夠好“
這位老師長教師的故事更出色，這篇文章寫得很好了，保舉閱讀[8]。直接放出鏈接吧：
鋰電專利的戰爭
歸納綜合一下，Goodenough 師長教師最讓人佩服的是：
- 年過半百才投入鋰電池研究，以一己之力發現了大部門關頭正極材料：層狀布局的鈷酸鋰(LiCoO2 lattice structure)、尖晶石布局的錳酸鋰(LiMn2O4 spinel structure)、橄欖石布局的磷酸鐵鋰(LiFePO4 olivine structure)。
- 本年已經 98 歲，Goodenough 師長教師依然奮戰在科研一線，但愿為下一代鋰固態電池做出沖破[9]。下圖是了 95 歲生日照片，看起來精力還不錯[10]！
我真的是發自心里地服氣，衷心祝愿：大好人平生安然！
鞭策汽車電動化的其他人物 / 公司
惠廷漢姆和 Goodenough 的科研進獻，奠基了鋰電池大成長的理論與手藝根本。
從汗青的角度來看，鋰電池的大成長光靠科研也不可，還必需依靠財產。財產界也涌現了不少英雄人物，限于篇幅，他們的故事在此只能用一句話歸納綜合。
鞭策汽車電動化的關頭人物：
- 本田宗一郎：本田汽車創始人。上宿世紀 70 年月，在加州空氣資本委員會奉行潔凈空氣法案被通用汽車阻撓的時辰，發現新型燃燒室手藝幫忙加州證實法案的合理性，使得排放法案得以繼續奉行下去。他的故事在這篇文章里有簡述：
環保是如何改變你的糊口體例的
- 姊川文彥：東京電力高管。21 宿世紀初，在美日汽車行業均不看好的情況下，結合三菱汽車與斯馬魯汽車奉行電動車打算，間接促使日產推出聆風電動汽車。
- 伊隆馬斯克：與日產聆風幾乎同時，用大規模的松下 18650 電池當作功造出市場接待的電動汽車。
鞭策鋰離子電池商用的關頭公司：索尼
1991 年，索尼發布了第一個商用鋰離子電池，后來被普遍地用在相機、手機中。
鋰離子電池助力了消費電子行業，改變了整個宿世界；反過來，消費電子行業的龐大市場，也大大助力了鋰離子電池手藝與財產的敏捷成長。
若是沒有消費電子行業的助推，在 21 宿世紀初的時辰，也許底子找不到可以達到電動汽車應用尺度的鋰離子電池 —— 消費電子行業助力鋰離子電池從 1 前進到 10，電動汽車行業才有機遇在此根本上繼續推進。
對電動汽車的成長來說，索尼也功不成沒。可悲的是，此刻鋰電行業已沒有索尼的身影：索尼老是超前地做出驚艷的產物與手藝，但無法對峙到吃到勝利果實的一天。
也許這就是“索尼大法好“？
關于“索尼大法好“的更多故事，拜見此回覆：
小結
在汽車的 AI(主動駕駛)、Connectivity（智能互聯）與 e-tron(電力驅動)三個趨向中，電力驅動手藝給人心理上的沖擊，也許沒有主動駕駛那么大，猛一看顯得不算是“劃時代“的沖破。
今天，我們已經習慣了鋰離子電池手藝帶來的便當，感覺這項手藝稀松泛泛，沒什么出格；可是，穿越到 20 宿世紀 70 年月，若是你說鋰離子電池將大規模應用于消費電子與汽車行業，大師也許會感覺你是個瘋子！
類比地，今天我們感覺主動駕駛手藝惶恐宿世俗，但在 30 年后的人們眼中，可能也感覺這只是稀松泛泛的手藝，沒什么出格。所以，我們不克不及憑債主不雅上的沖擊力來判定哪項手藝“劃時代“，哪項手藝很一般，而應該站在汗青的長周期角度來判定。
若是站在汗青的長周期角度來看，鋰電池成長史，是人類不竭追求可充電電池理論極限的科技史。電力驅動的鋰離子電池關頭手藝的崛起，依靠于科研界與財產界的配合立異，過程中英雄故事數不堪數，才在極端晦氣的景象下找到一個沖破口，幫忙電動汽車百年之后重返汗青舞臺。
這的確就是一個古跡，稱之為“劃時代“并不夸張。
本文節選自本人的知乎文章：有哪些劃時代的存在沖破了你現有的認知
- 發表于 2019-10-10 17:48
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