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鋰離子電池的成名之路和背后的三十年

文章出處：責任編輯：人氣：-發(fā)表時間：2019-10-11 13:13【大中小】

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鋰離子電池終于有諾貝爾獎了。

10月9日，97歲的約翰·B·古迪納夫（John B. Goodenough）、78歲的M·斯坦利·惠廷漢姆（M. Stanley Whittingham）和71歲的吉野彰（Akira Yoshino）一起拿到了本年度諾貝爾化學獎。

1976年，惠廷漢姆創(chuàng)造性地采用硫化鈦作為正極材料，金屬鋰作為負極材料，幫助?？松旧暾埩耸澜缟系谝粋€可充電鋰電池的發(fā)明專利。也正因此，惠廷漢姆獲得“鋰電池之父”的名號。

基于惠廷漢姆的研究，古迪納夫在接下來的十年里，一手研發(fā)的鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰，一次次鋪平了“鋰”在電池行業(yè)的花路。吉野彰則借鑒了古迪納夫的成果，在1985年開發(fā)了第一個商業(yè)上成功的可充鋰離子電池。

上世紀90年代，索尼正式將鋰離子電池商業(yè)化，移動可充電的時代正式到來。回顧鋰離子電池的成名之路，各地開花，也充滿坎坷。

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稿件來源：每日人物社

始于日本的商業(yè)化

在鋰離子電池像如今隨處可見之前，最常見的二次電池，如鉛酸電池，在我國2.5億輛電動車的份額中，九成以上使用的是鉛酸蓄電池。因是重金屬，又是強酸，聽上去似乎沒那么安全。另一種鎳鎘電池，容量雖較鉛蓄電大幅提升，但重金屬鎘污染所帶來的“痛痛病”，也一度令人心惶惶。

在尋找各種金屬材料中，科學家們在元素周期表中找了一圈，最后鎖定了第三號“鋰”。上世紀80年代，加拿大的Moli Energy公司，以持有金屬鋰作為電極的技術(shù)火遍電池圈。正當其準備施展拳腳時，電池因起火爆炸。1989年夏天，Moli Energy宣布召回，年底即破產(chǎn)，最終被日本電氣公司收購。

“鋰”的危險性，致使電池這個燙手山芋沒人敢接盤。正因此如此，早在1980年Goodenough就發(fā)明出鈷酸鋰，能使“鋰”這個元素從活潑的金屬態(tài)轉(zhuǎn)移到穩(wěn)定乖巧的離子態(tài)，讓安全成為可能，但正當他想申請專利時，他所在的牛津大學卻不樂意，他只好找了其他的實驗室代為申請。

然而在地球的另一端，日本的金屬鋰電池發(fā)展卻如日中天。

1973年，松下電池公司生產(chǎn)的商用一次鋰電池拉開序幕以來。鋰電池在日本的商業(yè)之路就此開啟。80年代，日本已成為了全球推廣應(yīng)用鋰電池最快的國家。1988年日本的圓筒形及幣式一次鋰電池生產(chǎn)達到了2.34億只，是1983年的四倍。

1983年，吉野彰使用筑波大學名譽教授白川英樹發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)電性塑料聚乙炔作為負極，用古迪納夫開發(fā)的鈷酸鋰作為正極，組裝出第一個可充電電池。白川英樹后來在2000年依靠該技術(shù)獲得諾貝爾化學獎。

吉野彰1972年京都大學畢業(yè)后，進入旭化成公司工作。該公司是一家綜合化工企業(yè)，目前是世界上最大的鋰電池絕緣材料的制造商。吉野彰一輩子都在這家公司工作，迄今仍是該公司的名譽特別研究員。

1991年，索尼公司獲得吉野彰這一技術(shù)后，并與旭化成公司合作，首次將鋰離子電池實現(xiàn)了商業(yè)化。

隔年，這項技術(shù)被應(yīng)用在“CCD-TR1”的8mm索尼攝像機當中，在郡山工廠的新建大樓里大規(guī)模生產(chǎn)。

索尼衰落，松下崛起

好景不長，1995年的一場工廠大火燒毀了100萬塊索尼的電池。經(jīng)過東京消防署調(diào)查后，這場大火的起因與索尼的鋰電池無關(guān)。

這挫傷了索尼的士氣，但他們沒有一蹶不振。索尼以日本人的嚴謹態(tài)度，和近乎變態(tài)的穿刺測試，索尼保證了之后產(chǎn)品的安全。

厄運仍在2006年到來。一臺使用索尼電池的戴爾筆記本電腦在會議上突然起火，索尼不得不面向全世界道歉，還花了4億召回了1000萬筆記本電腦。

此后，索尼在電池上再無大發(fā)展。2017年9月1日起，原來的索尼電池正式并入村田制作所集團，成為村田集團的一部分，至此索尼電池退出歷史舞臺。

另一家日本企業(yè)松下，在2009年收購三洋后，一躍成為全球最大的鋰電池供應(yīng)商，并在此后長期占領(lǐng)電池行業(yè)的頭把交椅。2014 年的全球車用鋰離子電池中，松下市場占有率達到45.7%。

就在索尼鋰電池商業(yè)化的同時，韓國也緊隨其步，以三星，LG為首的公司大施拳腳，同時中國也以比亞迪和ATL為首的電池企業(yè)拿到了手機巨頭的訂單。

縱觀鋰離子電池在全球的份額，在2014年的全球鋰電池廠商排名中，排名前六的均為日本企業(yè)，韓國和中國緊隨其后。同年馬斯克對外宣稱：“松下就是特斯拉的心臟”，強強聯(lián)手讓松下公司穩(wěn)住了電池行業(yè)的霸主地位。

僅過了四年，中國成為世界上最大的電動車市場，全球十大鋰電池廠商中，中國占七席。不過，排名第一仍為日本松下，第二、三位則是中國的寧德時代和比亞迪。

興起的新能源汽車

鋰電池的迅速發(fā)展也讓市場上各種產(chǎn)品更新迭代，尤其是在消費電子產(chǎn)品和新能源汽車行業(yè)。

消費電子產(chǎn)品日新月異，受惠于鋰電池，手機和筆記本電腦得以越做越薄，掃地機器人，智能穿戴等也早已滲透生活。而汽車行業(yè)里，電池技術(shù)也想占一份屬于燃油能源的市場。

電動汽車遲遲發(fā)展不起來，與其電池的技術(shù)不佳有關(guān)，直到“鋰”的發(fā)展，使其力挽狂瀾。這不得不歸功于古迪納夫的磷酸鐵鋰，這正是比亞迪造車采用“鐵鋰”技術(shù)。

1995年，王傳福將剛研發(fā)的比亞迪的產(chǎn)品送給臺灣最大無繩電話制造商大霸試用。當時采用的是鎳鉻技術(shù)。也正因此，比亞迪獲得大霸原本給三洋的訂單。

僅僅花了五年，踏上了全球電池行業(yè)的第一梯隊。2000年拿下了諾基亞、摩托羅拉等手機大廠的電池訂單，并在2002年香港上市。

作為北京有色金屬研究院里最年輕的處長，王傳福最早帶領(lǐng)比亞迪做電池起家，不僅趕上電子產(chǎn)品的大爆發(fā)，還看準了時機在2003年進入了汽車的市場。

憑借“鐵鋰”和三電技術(shù)（電池、電機、電控），比亞迪在新能源汽車市場上的占有率也達到了24％左右，如今已經(jīng)成為中國唯一一家擁有完整產(chǎn)業(yè)鏈的車企。

在電動汽車行業(yè)中，不得不提及特斯拉。它是第一款可以合法上高速，單次充電續(xù)航超過320 公里的量產(chǎn)車的鋰電車。如今它僅靠電池續(xù)航，500km的業(yè)績讓業(yè)界其他企業(yè)望塵莫及。

特斯拉采用的松下18650和體積容量更大的21700的圓柱型鋰電池，電池的正極為三元鎳鈷鋁酸鋰（NCA），加上特斯拉優(yōu)秀的電池管理系統(tǒng)BMS，這在純電動車的領(lǐng)域里幾乎無法超越。

有人計算過，一輛車的電池容量等于5000個手機電池，全球每年銷售9000萬輛的汽車全部使用鋰電池的話，從手機到汽車，鋰電池的市場空間將擴大300倍。吉野彰也說，電池行業(yè)未來的發(fā)展，取決于汽車能發(fā)展到什么地步。

鋰電池的爆炸困境

在汽車行業(yè)的大好形勢，背后有著不少辛酸淚。

截至2018年10月，電動汽車起火事件達40余起。今年陸續(xù)出現(xiàn)特斯拉、蔚來、榮威、比亞迪4大品牌的新能源電動車先后出現(xiàn)起火事件。

在蔚來電動車多起事故的原因中，其中動力電池自燃占三成，主要是由于鋰電池發(fā)生內(nèi)部或者外部短路后，短時間內(nèi)電池釋放出大量熱量，溫度急劇升高，導(dǎo)致熱失控。

鋰離子電池起火遭殃的不止電動汽車，手機和筆記本電腦等消費電子也曾發(fā)生過多起意外起火事件，因此航空公司也要求旅客不得托運鋰離子電池。

2016年三星note7至少三十五起的電池爆炸事件，成了三星的丑聞。2018年瑞士蘇黎世一家蘋果零售店，發(fā)生了iPhone手機電池爆炸事故，造成1人受傷，7人中毒入院，50余人被緊急疏散。據(jù)外媒，西班牙的零售店，也發(fā)生了蘋果手機爆炸事故。

對溫度敏感，短路起火爆炸，一直都是傳統(tǒng)鋰離子電池繞不過的坎。

電解液技術(shù)是鋰電池的核心技術(shù)，傳統(tǒng)鋰離子電池在過充或是內(nèi)短路的情況下，易導(dǎo)致電解液發(fā)熱，進而有自燃或者爆炸的危險性。因此，能夠不用液體電解液，名為全固態(tài)電池的行業(yè)正在悄然興起。

據(jù)資料顯示，過去十年內(nèi)，全固態(tài)電池領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)量增長已經(jīng)超過了10倍。固態(tài)電池的優(yōu)勢在于不可燃不漏液，安全性不言而喻。同時無需隔膜與電解液，提高能量密度，直擊了傳統(tǒng)鋰離子電池的痛點。

目前，日本、韓國、美國等許多工業(yè)巨頭公司已投入到全固態(tài)電池行業(yè)中。Sakti3、Cymbet Corporation、Prologium、豐田公司等，在全固態(tài)電池的研發(fā)生產(chǎn)上，也傾注了很多精力。蘋果公司也在全固態(tài)電池方向做了專利布局。

相對日韓、歐美來說，中國的鋰電池產(chǎn)業(yè)雖然經(jīng)過十多年的發(fā)展，目前已經(jīng)形成了完整產(chǎn)業(yè)鏈，市場和儲備依然是優(yōu)勢，但在技術(shù)層面上還需要攻克。