电动车福音:97岁诺奖得主正研发超级电池,带电量翻三倍
卡门精选2019-10-10
新造车
刚获诺贝尔奖的锂电之父还没退休,2017年就研发出黑科技电池。

编者按:本文来自“车东西”,作者:晓寒、六毛,未来汽车日报经授权发布。

10月9日下午,瑞典皇家科学院宣布,2019年诺贝尔化学奖授予约翰·B·古迪纳夫(John B. Goodenough)、斯坦利·威廷汉(M. Stanley Whittingham) 和吉野彰(Akira Yoshino)三人,以表彰他们在开发锂离子电池方面作出的杰出贡献。

威廷汉曾用二硫化钛作为锂电池阴极材料,古迪纳夫于1980年证明嵌入锂离子电池的氧化钴可产生4伏电压,成为锂电池历史上的重大技术突破。1985年,吉野彰以古迪纳夫发现的阴极材料为基础推出首个可商用的锂电池。

事实上,今年97岁高龄的古迪纳夫也是公认的“锂电池之父”,可以说,没有他就没有锂电池,没有今天的手机和电脑,更没有正在蓬勃发展的电动汽车了。

▲John B. Goodenough

值得注意的是,古迪纳夫虽然已经97岁高龄,但目前仍然活跃在学术一线,每天都会去自己所在的美国德克萨斯大学奥斯汀分校实验室工作,最近的研究项目为电池领域最前沿的固态电池技术——并且希望彻底改变电动汽车的使用前景。

2017年夏天,古迪纳夫就与几位专家一道在《能源与环境科学》期刊上发布论文,宣布其已经研发出了具备高能量密度、快速充电和长寿命的全固态电池原型。

古迪纳夫当时讲道,“成本、安全性、能量密度、充放电速率、循环寿命等参数,对于电动汽车的普及至关重要。我相信我们的发现,将解决现有电池的很多问题。”

2019年诺贝尔化学奖授予锂电池 三位奠基者获奖

今天下午5点45分左右,瑞典皇家科学院揭晓了诺贝尔奖2019年自然科学类最后一个奖项——诺贝尔化学奖。

2019年诺贝尔化学奖被授予约翰·B·古迪纳夫、斯坦利·威廷汉和吉野彰三人,以表彰他们在锂离子电池方面作出的奠基性贡献。

▲诺贝尔奖官网公布化学奖得主

锂电池基于锂离子在阳极和阴极之间流动来产生电流,现任纽约州立大学宾汉姆顿分校教授的威廷汉曾将二硫化钛用锂电池阴极材料,该材料在分子水平上具有可以容纳(嵌入)锂离子的空间。

美国德克萨斯大学奥斯汀分校教授的古迪纳夫曾预测如果使用金属氧化物而不是金属硫化物作为阴极材料,那么锂电池将具有更大的潜力。他在1980年证明了嵌入锂离子的氧化钴可以产生多达4伏的电压,由此为制造更强大的电池奠定了技术基础。

1985年,日本化学家、现任名城大学教授吉野彰在古迪纳夫锂电池阴极的基础上,推出了首个可商用的锂离子电池,此外,在阳极材料方面吉野彰没有使用反应性锂,而是采用了石油焦炭作为材料。

在三位科学家中,最引人瞩目的就是被称为“锂电池之父”的古迪纳夫。

如果用学术化的方式来讲,那就是古迪纳夫开发了锂离子可充电电池,同时他发现了古迪纳夫—金森法则,这项法则可被用于确定超交换(superexchange)材料磁性符号。

正是因为古迪纳夫在锂电池领域的这种贡献,古迪纳夫也被选为美国国家工程院、美国国家科学院、法国科学院、西班牙皇家学会和英国皇家学会院士,在学术界声名显赫。

据了解,1901至2018年间,诺贝尔化学奖共颁布了110次,共有181位诺贝尔化学奖获得者,今天之后诺贝尔化学奖的名单将增加到184位。在这184位获奖者中,古迪纳夫目前是年龄最高的一位。

事实上,早在本届诺贝尔化学奖公布之前,就有一些媒体和科学家预计古迪纳夫将会得奖,最终事实果真如此。

据报道,古迪纳夫于1922年在德国出生,并于1944年在美国获得耶鲁大学数学学士学位。二战后古迪纳夫选择继续攻读博士,并在1952年从芝加哥大学毕业。

97岁高龄仍坚持工作 最新成果是固态电池

古迪纳夫是科研圈的“工作狂”,据媒体报道,即便是在90多岁高龄,他也会在工作日早上7点左右开始工作,周末时继续在家工作一天半。

现阶段,其研究的重点是锂电池的前沿领域——固态电池。

2017年,德克萨斯大学奥斯汀分校官网发布报道,宣布古迪纳夫带领的工程师团队,研发出了全球首个全固态电解质锂电池,具备更安全、更快的充电速率、更长的使用寿命等特性,在全球引起广泛关注。

古迪纳夫和团队中的Maria Helena Brag等学者在《能源与环境科学》期刊上撰写了一篇论文介绍了这一固态电池。

▲德克萨斯大学奥斯汀分校官网报道宣布古迪纳夫团队研发出全固态电解质锂电池

古迪纳夫团队表示,这一固态电池的能量密度至少是传统锂电池能量密度的三倍(也就是说,同样重量的电池,固态电池的带电量是传统电池的三倍,堪称是超级电池了),同时还具备充放电寿命长、充电速度快的特性。按照德州大学奥斯汀分校官网的说法,其充电速度是按照分钟而不是传统锂电池的小时来计算。

据了解,传统锂电池阴极和阳极之间使用的是液态电解质,锂离子在其中穿梭以存储或释放电量。如果电池充电过快,电池中会形成枝晶(金属晶须),穿过电解质造成短路,进而引发火灾或者爆炸。

在研究中,古迪纳夫团队用一种玻璃电解质代替了传统的液态电解质。这种电解质可以使用碱金属作为电极,并且不会出现枝晶的情况。

正是有了碱金属作为电极(传统电池无法使用),不仅提升了固态电池阴极的能量密度,还将其充放电寿命延长到了1200多次。

更重要的是,由于这个玻璃电解质在零下20度的环境下仍然具有较高的导电性能,因此搭载这一电解质的固态电池可以让电动汽车在零度以下的环境下仍然能正常工作,最低可达零下60度。

而搭载普通液态电解质的锂电池,在极低温环境下,充放电性能会大幅缩减。要想保持良好的性能,必须使用额外的液态温度控制系统对其进行加热。

需要指出的是,古迪纳夫尤其重视该技术在电动汽车领域的应用。在发表论文时他明确讲道,“成本、安全性、能量密度、充放电速率、循环寿命等参数,对于电动汽车的普及至关重要。我相信我们的发现,将解决现有电池的很多问题。”

在这一研发过程中,一位名为Maria Helena Brag的学者也发挥了重要作用。

▲Maria Helena Brag

据了解,Maria Helena Brag在葡萄牙波尔图大学工作时就开始研究固态电解质。2015年时,她开始跟古迪纳夫以及Andrew J. Murchison两位德克萨斯大学奥斯汀分校的专家进行合作。

Maria Helena Brag强调,正是古迪纳夫对固态玻璃电解质的组成和性质的深入了解,才让其可以应用在电池领域。与此同时,德克萨斯大学奥斯汀分校技术商业化办公室也对该技术申请了专利。

此外,这种玻璃电解质还简化了电池制造流程,并允许使用钠来代替锂离子进而解决了原料供给问题。

德克萨斯大学奥斯汀分校在这份报道中指出,古迪纳夫计划继续进行电池研究,之后古迪纳夫和他的团队还希望能跟电池制造商合作,为电动车、能源存储装置研发新型电池,对于电动汽车制造商来说这都是一个相当不错的消息。

结语:电动汽车的新希望

眼下的电动汽车产业虽然正在迅速发展,但电池技术仍然处于一个比较尴尬的底部,能量密度较低导致续航里程短,同时充电速度也不及燃油车加油那么快。

电动汽车想要进一步发展,电池是要解决的一个核心问题。

正因为如此,宝马、大众、特斯拉等一系列大型车企都在研究固态电池技术,希望获得突破。

而随着古迪纳夫等专家也将注意力放在了固态电池领域,正说明这一方向是解决电动汽车里程焦虑的正确途径,并且迎来了大量顶尖专家学者的关注。

相信用不了多久,固态电池就会让电动汽车具备取代燃油车的实力。

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