【原创】从爆炸到重生——锂离子电池历史拾零


来源:中国粉体网   文正

[导读]  锂离子电池有着怎样的前世今生?我们来看一看

中国粉体网讯  锂离子电池与我们的日常生活密切相关,手机、电脑、电动自行车、新能源汽车等都与它有联系。在生活中,锂离子电池给人最多的印象是体积小、充电快、能量足等。


其实,它的应用领域要比一般人认为的更加广泛。锂离子电池应用范围包括3C消费电子、动力电池、储能设备、电动工具等几大领域。


传统能源供应日益紧张,风能、太阳能、生物质能、潮汐能等新能源逐渐被开发利用,而这些新能源往往需要先转化为电能再进行输出。因此,能够储存电能的可充电电池就有了用武之地,并且展现出良好的应用前景。尤其在动力电池领域,锂离子电池是主要动力源,可以说是新能源汽车的“心脏”。


那么,锂离子电池有着怎样的前世今生?我们来看一看。


前世——因爆炸折戟市场


锂离子电池的前世是金属锂电池,它是在金属锂电池的基础上发展而来。


  • 1745年,荷兰科学家Pieter van Musschen broek发明了“莱顿瓶”,是最原始的电容器器件。


  • 1800年,意大利物理学家Volta(伏特)发明了世界上第一个电池组,被称为伏打电堆,是最早的化学电源。


  • 1836年,英国科学家John Frederic Daniell发明了第一个实际应用的电池——丹尼尔电池。


丹尼尔电池确定了电池的基本形式。此后,不同类型的电池陆续出现。


随着电池研究与应用的深入,人们开始追求密度更高、环境更友好的电池产品。在这个过程中,金属锂走进了人们的视野。


  • 1958年,美国的William Sidney Harris采用有机酯溶液作为锂金属原电池电解质,确定了锂与有机电解质的组合,为后来的锂电池发展埋下了伏笔。


  • 1970年,日本公司松下研发了氟化碳锂电池并量产,氟化碳锂电池是一次电池,也是第一个商业化的锂电池。


  • 1975年,美国公司Exxon(石油巨头埃克森美孚前身)采用二硫化钛作为正极材料,金属锂作为负极材料,开发出最早的金属锂二次电池。


  • 1987年,加拿大公司Moli Energy推出用二氧化钼作为正极,金属锂作为负极的锂电池,受到全世界追捧,成为一款革命性产品,也是第一个真正意义上广泛商业化的锂电池。


  • 1989年,Moli Energy公司的锂电池产品发生爆炸事故,引发市场恐慌。Moli Energy公司召回了其产品,并于年底宣布破产。


Moli Energy公司事件之后,锂离子电池的前世金属锂电池因爆炸事故黯然消失在大众视野。


事物的发展总是处于螺旋式上升过程之中。虽然金属锂电池应用折戟于1989年,但是并没有阻挡人们对锂电池研究探索的步伐。


今生——于变处重育生机


由于金属锂作为负极,存在巨大的安全隐患,研究者开始转变思维,放弃金属锂作为负极,转而寻找一种嵌入化合物代替锂。研究者认为可以用一种嵌锂电位较低的插层化合物替代安全性较低的金属锂作为负极,并保证锂离子在正负极之间实现可逆嵌入与脱出。


这种理念由Michel Armand在上世纪80年代提出,被称为“摇椅式”概念,一直持续至今。这一概念阐明了锂离子电池的基本工作原理。


思路的转变为锂电池的发展带来了新的生机,并且促使了全新的锂离子电池(为了区别于传统锂电池,将之称为锂离子电池)的诞生。


  • 1981年,美国科学家Goodenough发现过渡金属氧化物可以在较高的电位下可逆地嵌入和脱出锂离子,相继发现LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4都是高效的正极材料,使锂离子电池的商业化应用迈出了关键的一步。


  • 1985年,日本科学家Yoshino采用石油焦作为负极并结合钴酸锂正极开发出世界上第一个锂离子电池。 


  • 1991年,日本索尼公司对全新的锂离子电池进行商业化生产,也就是18650锂离子电池,极大地推动了锂离子电池及相关领域的发展。


至此,锂离子电池开始大踏步前进,逐渐走向了更加广阔的市场。


2019年,诺贝尔化学奖颁发给了锂离子电池领域的3位学者:美国德州大学奥斯汀分校John Goodenough、美国纽约州立大学宾汉姆顿分校的Stanley Whittingham和日本旭化成公司的Akira Yoshino,表彰他们为锂离子电池发展做出的贡献。


图片来源:诺贝尔官网推特


如今,锂离子电池的应用场景早已变得多元,随着技术进步和产品迭代,锂离子电池已经渗透到多个领域,从通讯、办公到出行,都有它的影子。在发展过程中,锂离子电池也出现了更多创新方向,比如,全固态锂电池、锂硫电池等等。据称,全固态电池能够使锂离子电池的安全性大幅度提升,而锂硫电池能量密度或可达现有锂离子电池的2倍,这都是令人振奋的消息。总之,创新仍在继续,相信未来锂离子电池将会为人类的能源事业做出更大贡献。


参考来源:

[1]韩啸.锂离子电池的工作原理与关键材料

[2]滕瑛巧.基于诺贝尔奖成果发展史的电化学复习——以“锂电池的昨天、今天和明天”为例

[3]Tommyzhou.锂离子电池发展简史

[4]一张图纵览锂离子电池的历史.蒙京研究院


(中国粉体网编辑整理/文正)

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作者:文正

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