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熱點！“鋰電池之父”重要預言：磷酸電池才是下一代充電電池 | 鈦媒體T-EDGE

2023-01-03 22:42:28來源：鈦媒體  

12月22日，在鈦媒體2022 T-EDGE全球創新大會上，“鋰電池之父”、諾貝爾化學獎得主Stanley Whittingham圍繞《鋰電池的過去、現在和未來》進行了主題分享。

Whittingham 是鋰離子電池發展史上的關鍵人物，他在上世紀70年代首次發現了嵌入電極，并在70年代后期徹底描述了可充電電池的嵌入反應的感念。他擁有在高功率密度、高可逆性鋰電池中使用嵌入化學概念的原始專利。


(相關資料圖)

他發明了首個可充電鋰離子電池，該電池在1977年獲得了專利并轉讓給埃克森美孚公司。目前鋰離子電池已廣泛應用于消費電子、電動汽車等領域。他在鋰電池方面的貢獻為其他追隨者的后續發展奠定了基礎，因此，他被稱為“鋰電池之父”。

2019年，Whittingham 與美國科學家約翰·古迪納夫和日本科學家吉野彰一起，因在鋰離子電池方面的開創性研究，共同獲得了諾貝爾化學獎。

Whittingham 在演講中指出，現在的電池存在巨大的改進機會。已經商業化的電池的能量密度僅為理論上能量密度的一小部分。從體積能量密度來看，僅實現了理論密度的11%到25%。從重力能量密度來看，也僅為理論的25%。

“我們需要在正極材料中有更多的鋰含量。我們需要更好的正極材料，從而讓離子和電子可以移動的速度更快。”

Whittingham表示，在美國，有個宏大的“電池500”計劃，其目標是實現500 Wh/kg。這個項目已經進行了5年。項目于2017年開始，現在進入第二個五年期。已經實現了至少350 Wh/kg，而商業電池僅達到了250 Wh/kg。現在實現了超過807次充電次數，未來5年里，將提高充電次數。

演講中，Whittingham 指出，未來5到10年，鋰電池將會繼續成為行業主流，最終目標是能量密度更高的硫鋰電池。鈉離子電池或許也會發揮作用，寧德時代在不久的將來會實現基于普魯士白原料的鈉離子電池的商業化，而氧化還原液流電池或也可能實現突破，但是考慮到腐蝕和其他問題，它們存在成本的問題。

不過，Whittingham認為，磷酸電池將是下一代電池。其原因主要是磷酸材料更安全、成本更低。磷酸材料由于不含鈷，也不含鎳，因此成本更低，且更容易獲得。

他相信，中國將會充分利用他們在鋰和磷酸材料上的專業知識，來制造磷酸電池。

以下為Stanley Whittingham 的演講內容，略經鈦媒體編輯：

先生們，女士們，我在美國紐約州北部向大家問好。

非常高興參加鈦媒體主辦的2022年T-EDGE全球創新大會。我希望和大家討論電池，特別是鋰電池的過去、現在和未來。

Image source：Professor Stanley Whittiingham

首先，讓我回顧下三年前諾貝爾獎委員會的頒獎辭。諾貝爾獎委員會認為，我和另外兩名獲獎者--約翰·古迪納夫和吉野彰，奠定了無線、無化石燃料社會的基礎，極大地推動了人類的發展。

現在，我們將這項研究付諸實際應用，并為所有人建設了一個更加環保、綠色的社會。我想，現在每個人口袋里都有智能手機，這些手機里都有輕便的鋰電池。與20年前相比，我們的生活發生了顛覆性的變化。

讓我們回到最初。第一批可充電的鋰電池于50年前，在我之前的公司ESSO 的實驗室里誕生。今天，在運輸行業，電池已經應用在各種車輛上。

幾天前，我在倫敦，拍了一些倫敦交通系統的照片，這些照片顯示了當地為清潔環境所做的努力。街上有清潔能源的電動公交車，有混合動能的公交車，還有氫能公交車。現在，公共交通系統的車輛都在轉向使用清潔能源。

在儲能領域，我們來看現在的情況，多數清潔、可再生能源都無法均勻地、持續地產生，所以必須儲存起來。

現在可再生能源的成本低于新建的以煤炭為燃料的發電廠，新能源正在取代煤炭為能源的發電廠，但可再生能源的輸出是斷斷續續的。我們必須將電力儲存起來，電池是最靈活的解決方案。

接下來，我來講一下鋰離子電池的歷史。

透過歷史，我們知道我們從哪里來，到哪里去。最早開發的負極是使用純鋰金屬。之后，由于鋰枝晶的形成，純鋰金屬變得不安全，所以鋁鋰合金取代了純鋰。接著，吉野彰用碳基材料替代鋁鋰合金作為負極材料。

我來詳細解釋下這個階段。所有這些反應，我們統稱為“嵌入反應”。也就是說，我們有了客人，即這些綠色的小圓點—鋰原子。它們進入晶格里，在這個反應里，是碳基材料。你可以把它們放進去，然后再取出來，而不會改變嵌入的晶格。

Image source: Professor Stanley Whittingham

但是碳是非常低效的，它占掉了電池的一半體積。因此，未來我們將會看到這樣一個趨勢，為了取代它，理想狀態下重新使用純鋰。同時，也有很多研究集中在錫和硅材料上，因為它們在較小體積內可以存儲與純鋰所儲存的相同能量。 

在正極一側，我們使用了嵌入化合物 -- 二硫化鈦。當時在牛津大學工作的古迪納夫 （John Goodenough）意識到氧化鋰鈷具有相同的結構，所以他進行了研究。現在氧化鋰鈷仍用在小巧的設備上，如手提電腦、手機等。但是鈷涉及很多敏感問題，如成本昂貴，因此很多情況下避免使用鈷，而繼續使用二氧化鋰。但是我們有了鎳和錳，它們已經取代了90%的鈷。一些公司，如特斯拉，使用鎳鈷鋁混合物。

但是電網儲能采用的是磷酸材料。磷酸材料是由古迪納夫最早發現的。目前，科學家們正在研究磷酸錳鐵材料的商業化，因為它們有較高的電壓。

這兩種材料均能量密度都非常低。因此我們把第二個鋰原子加入這些材料，從而提高電池的能量密度。這些研究成果被授權給Eveready公司。Eveready和索尼有一個合作研究項目，從而讓索尼獲得了知識產權。1991年，索尼成功將這些研究成果實現了商業化。

從最初到現在，在正極方面，并沒有太多變化。這些多層材料，從硫化物到氧化鎳，在一些地方依然是現在使用最多的材料。很明顯，在中國它們也依然是主流材料。

讓我們看看未來可能發生什么？我想指出的是已經商業化的電池的能量密度僅為理論上能量密度的一小部分。從體積能量密度來看，僅實現了理論密度的11%到25%。從重力能量密度來看，也僅為理論的25%。因此，現在的電池存在巨大的改進機會。

我們需要在正極材料中有更多的鋰含量。我們需要更好的正極材料，從而讓離子和電子可以移動的速度更快。

在美國，我們有個宏大的“電池500”計劃，其目標是實現500 Wh/kg。這個項目已經進行了5年。項目于2017年開始，現在我們進入第二個五年期。我們已經實現了至少350 Wh/kg，而商業電池僅達到了250 Wh/kg。現在我們實現了超過807次充電次數，未來5年里，我們將提高充電次數。

雖然電池的能量密度在增加，而成本持續下降，但我們仍必須不斷向前推進，將這些材料用到極致。不過，同時也帶來了挑戰，即安全與能量密度的沖突。

對此，我們領域的所有人都在致力于解決這個問題。我們面臨的一大挑戰是：如何才能讓電池更安全？

一個辦法是，減少這些材料的表面面積。即表面面積減少后，如果哪里出錯了，負面反應也會慢很多。因此，在1976年，當我們開始研究時，使用了單晶體。索尼自1991年開始的初期研究里，也一直采用單晶體。

今天我們使用的材料叫“肉丸子”。因為表面面積大，所以能量也大，但是安全性降低。因此，我們重新使用三元（NMC）材料，形成單晶體，從而縮小表面面積。包括劉俊在內的科學家也都表示，如果我們可以做到這一點，我們就能制造行駛100萬英里的充電電池。

Image source: Professor Stanley Whittingham

事實上，沒有人會開100萬英里，但這一成果如果能夠付諸實際應用，我們可以在不用電車時，一直聯在電網上。這將使得電網更穩定。如果電網的電力減少，可以用電池給家里供電。

因此，我們同世界上其他對單晶體感興趣的很多研究機構一起，進行了這個方向的研究。我們目前正在研究單晶體的形態，也就是形態最優化的問題。這就是我們領域目前面臨的挑戰，以及我們如何去應對挑戰。

現在世界范圍內，包括中國，多數在研究NMC材料，有60%的鎳，20%的錳和20%的鈷，也有50%的鎳，會有多種組合，其目標都是將鈷含量從目前的20%降到5%。

現在很多研究都集中在將鎳材料提升到80%的含量上。隨著時間的推移，將會有更多種類的正極材料，但也不會有太多。

我們開始研究鋰鈦硫化物，加拿大的Moli Energy 公司開始采用二硫化鉬。二硫化鉬在加拿大是自然形成的礦物質，所以成本更低。他們將這種材料商業化，已經上市幾年了。

當石墨作為負極材料時，氧化鋰鈷材料(LCO)被使用，由于石墨負極材料降低電壓，就演變為NMC三元材料，同時加入鋁，從而就起到穩定作用，這是目前使用的主流正極材料。

多年來，磷酸鋰材料一直是中國開發的主流正極材料。但是，我認為能量密度有點低。在賓漢姆頓（Binghamton），我們正在致力于商業化磷酸錳鋰材料，它有4伏電壓，比磷酸鋰材料高出半伏。

我們認為，磷酸電池將是下一代電池。其原因主要是磷酸材料更安全、成本更低。磷酸材料由于不含鈷，也不含鎳，因此成本更低，且更容易獲得。

我相信，中國將會充分利用他們在鋰和磷酸材料上的專業知識，來制造磷酸電池。

當下研究比較火熱的是固態電池。很多人認為固態電池是無法商業化的，其實已經實現商業化了。

最初的固態電池研究工作來自3M、蒙特利爾大學、加拿大魁北克省電力公司，有美國能源部資金的支持，使用聚環氧乙烷作為電解質。

雖然研究并不那么成功，但是該項目由法國Bolloré 集團的子公司Blue Solutions公司繼續研究。他們生產了使用固態電池的汽車。在美國印第安納波利斯、巴黎和其他城市，固態電池共享電車被認為非常安全，已經被投入使用，

Michel Armand 曾說過，你可以點燃汽車，但電池依然安好。在巴黎，有些小混混經常會點燃汽車，然后他們把電池取出來，發現電池完好無損。但最近，體積更大些的固體電池引發了幾起火災。

這里有一張照片，照片里的奔馳公共汽車裝的就是固體電池。大約一年前，其中一輛固態電池公交車在充電時著火了。

關于起火原因的仍在研究中。最初的懷疑是電池太熱了，所以鋰融化了。這輛公共汽車著火后，摧毀了整個車庫和其他25輛公共汽車。因此，一些德國城市緊急停運了這些固態電池公共汽車。巴黎也有幾次起火事件，涉及不同品牌的公共汽車，但都是聚環氧乙烷作為電解質的固態電池。

因此，問題來了，固態電池是否比鋰電池更安全？鋰電池的未來在哪里？

我們可以看到，電池會設計得更容易重復利用。長途運輸電池的原材料和成品將消耗大量能源，并釋放大量二氧化碳，不具有可持續性。隨著全球對電池的需求呈指數倍增，未來地區性的供應鏈將成為常態。

Image source: Professor Stanley Whittingham

我相信，今后5到10年，鋰電池將繼續為行業主流，最終目標是能量密度更高的鋰硫電池。如果我們談到電動飛機，鋰硫電池幾乎是標配。鈉離子電池或許也會發揮作用，寧德時代在不久的將來會實現基于普魯士白原料的鈉離子電池的商業化。同時我也認為，氧化還原液流電池或也可能實現突破，但是考慮到腐蝕和其他問題，它們存在成本的問題。（本文首發鈦媒體App）

關鍵詞： 鋰電池之父重要預言磷酸電池才是下一代充電電池

責任編輯：hnmd003

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