2019年诺贝尔化学奖花落锂电池领域

2019-11-06      1094 次浏览

很少看到一种元素在学术舞台上扮演核心角色,但2019年诺贝尔化学奖的主角却是一个起源于宇宙大爆炸的古老化学元素——锂。


10月9日,瑞典皇家科学院宣布将2019年诺贝尔化学奖授予约翰⋅古迪纳夫(JohnB.Goodenough),斯坦利⋅威廷汉(M.StanleyWhittingham)和吉野彰(AkiraYoshino),以表彰他们在锂离子电池领域的贡献。


锂电池的故事要从锂元素被发现讲起


1817年,瑞典化学家JohanAugustArfwedson和JönsJacobBerzelius首次将锂从一个瑞典小岛的矿石样本中提取出来。当时,Berzelius以希腊语中的“石头、石子”命名了它。


虽然这个名字听起来很重,但其实,锂是最轻的固体元素——这或许就是为什么,我们有时候不会注意到随身携带的手机。


更准确的来说,瑞典化学家实际上并没有发现纯的金属锂,而是以盐的形式发现锂离子。纯锂是一种非常不稳定的元素,必须储存在石油中,防止它与空气发生反应。


锂的弱点是它的反应性,但这恰恰也是它的优势。


20世纪70年代初,StanleyWhittingham开发第一个功能性锂电池时,他利用锂的巨大驱动力来释放外层电子。


1980年,JohnGoodenough将电池的潜力翻了一番,为更强大、更有用的电池创造了合适的条件。


1985,AkiraYoshino成功地从电池中消除纯锂。他采用锂离子作为材料,比纯锂更安全。


这一尝试使得电池进行了人们的实际生活。锂离子电池给人类带来了诸多好处,它使笔记本电脑、手机、电动汽车的发展以及太阳能和风能发电的储存成为了可能。


StanleyWhittingham将锂带入了电池


20世纪中叶,全球汽车保有量上升,汽车尾气进一步加剧了大城市的空气污染。于此同时,人们日益认识到石油资源有限,这使汽车制造商和石油公司拉响了警报。为了生存,他们打算投资电动汽车和替代能源。


不过,电动汽车和替代能源都需要能够存储大量能量的强大电池。当时,市场上只有两种类型的可充电电池——重铅电池和镍镉电池。


是StanleyWhittingham把金属锂带入了电池,也使它成为了这个故事的主角。他将锂作为新电池的负极。


锂不是一个随机选择;在电池中,电子应从负极(阳极)流向正极(阴极)。因此,负极应包含一种易于释放电子的材料,而在所有元素中,锂是最容易释放电子的材料。


StanleyWhittingham的实验创造出了在室温下工作的可充电锂电池,并且具有巨大潜力。之后,他前往纽约埃克森美孚总部,在大约十五分钟的会议之后,埃克森美孚管理团队决定:将利用Whittingham的发现开发出一种商业上可行的电池。


第一批可充电电池的电极中有固体材料,与电解质发生化学反应时会损坏电池


石油危机激发Goodenough对电池的兴趣


JohnGoodenough幼年时在阅读方面有很大的障碍,他因而被数学和物理学所吸引。与1970年代的很多人一样,Goodenough感受到了石油危机的影响,希望为替代能源发展做出贡献,并因此进入了能源研究领域。


Goodenough了解到StanleyWhittingham的革命性电池,但他对物质内部的知识告诉他,如果用金属氧化物替代金属硫化物制造电池的正极,电池的潜力会更大。


他的研究小组开始寻找一种金属氧化物,要求当它嵌入锂离子时能产生高压,但当锂离子被移除时,它不会崩溃。


这项系统性的研究比StanleyWhittingham所预期的要成功得多。Goodenough用钴酸锂作为电池正极材料,制成电池的输出电压几乎达到4伏。


1980年,他发表论文介绍了这种新型正极材料,它的重量很轻,却能生产出功能强大的高容量电池。


Goodenough开始在锂电池的正极中使用钴酸锂。这使电池的潜力翻倍,并使其功能更强大


吉野彰制造首款商业上可行的锂离子电池


吉野彰最初在Goodenough的基础上,用钴酸锂作为电池的正极,并尝试使用各种碳基材料作为负极。后来,他在负极中使用石油工业的副产品——石油焦。结果显示,他以此开发出的电池更为稳定,而且重量轻、容量大,能明显产生4伏电压。


这类电池的工作原理不基于任何有害的化学反应,而是依靠锂离子在电极之间来回流动,使用寿命很长,在性能下降之前可以充电数百次。另一个很大的优势是,这类电池中没有使用纯锂,保障了安全性。


吉野彰开发了第一个商业上可行的锂离子电池


1991年,日本一家大型电子公司开始销售第一批锂离子电池,这引发了一场电子革命。此后,手机变得越来越小,电脑变得更加便携,MP3播放器和平板电脑也得到了发展。


近年来,世界各地的研究人员都在寻找更好的电池,但还没有人成功地发明出超过锂离子电池的高容量、高电压的电池。


与此同时,锂离子电池也得到了改进,例如JohnGoodenough用磷酸铁取代了钴酸锂,使电池更加环保。


A股锂电公司潜力可期


本次锂电池获得诺贝尔奖认可,锂电池相关概念股或将更受市场关注。


中原证券研报显示,2019年1-8月新能源汽车合计销售79.29万辆,同比增长33.58%,合计占比4.93%。2019年7月,我国动力电池装机4.7GWh,同比增长40.6%,其中乘用车装机占比47.31%,三元材料占比44.13%;宁德时代(300750.SZ)、比亚迪(002549.SZ)、亿纬锂能位居前三。


“以我们自身品牌为例,2014年前公司的产品企划书仍以传统能源车生产、销售为主。而此后的每年新能源车销售占比营收都在逐年扩大,目前已超过传统能源车销量。电动汽车的出现,给了动力锂电池一个全新的市场和应用方向,下游需求仍在不断的增长。”前述人士表示。


“车载用锂电池不同于应用于手机、电脑的消费电池,从应用落地至今时间较短。新车面世至少需要经历3年的设计、试验、工装等环节,最终问世的产品存在周期性,使用的车载锂电池很有可能仍是设计最初时的电池。这对于锂电池技术的发展也是一项挑战,核心技术仍是续航能力和安全性。”他补充道。


记者统计Wind、天眼查等信息梳理发现,A股目前锂电池行业公司数量庞大,从上游关键材料(负极石墨烯材料)相关企业,中游具有关键技术以及布局大型车企供应链中的锂电池龙头,以及下游的各种消费电芯和动力电池,中国的锂电产业已具备完整产业链。目前锂电池行业公司约为92家,总市值约达1.16万亿元。


上游锂电资源企业包括天齐锂业(002466.SZ)、赣锋锂业(002460.SZ);电池材料和设备制造商的杉杉股份(600884.SH)、大族激光(002008.SZ)、先导智能(300450.SZ)、格林美(002340.SZ),以及电芯生产商比亚迪、宁德时代、亿纬锂能、国轩高科(002074.SZ)。


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