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诺奖颁发在即,对锂电池正负极均有贡献的日本有望斩获吗?

2019-10-10 17:05
微锂电
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在有关电池的实用性上,不少日本研究人员作出了巨大的贡献。今天下午,诺贝尔化学奖将在瑞典揭晓,日本对此期望很高。下面大致梳理了该国在电池应用方面的研究和发展。

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已知,电池由正负两个电极组合而成,要将其小型化,就必须使用能够产生高电压的电极,如果把易发生电化学反应的锂作为电极,就可以在镍镉电池等上进行循环,但是,锂元素如果直接用于金属的话,又有起火的危险。

70年代后期,英国牛津大学教授约翰·古德伊纳夫(John Goodenough)等人发现钴酸锂可用于二次电池的正极,20世纪80年代,研究人员“希望制造出小而轻,可以多次重复使用的安全电池”由此产生了可充电电池(二次电池)。85年,旭化成名誉院士吉野彰发现了正极为钴酸锂,负极为碳材料的组合,由此获得了新型电池的专利,这是目前锂离子电池的原型。

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正极的开发有日本人的贡献

根据日本朝日新闻报道,最先想到在正极使用钴酸锂的其实是当时在古德伊纳夫手下的东芝的水岛公,他是调查物质的物性物理学的研究者。

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水岛面临的课题是开发可重复使用的充电电池(二次电池)电极。他首先瞄准的是高性能的锂电池,但是在电极上的金属锂元素容易导致短路,有起火或爆炸的危险,而用化合物的话,安全性会较高。硫化物作为正极电极,在当时最有希望,但在进行实验的过程中,于1978年夏天在实验室发生了爆炸事故。

水岛于是放弃了硫化物,在古德伊纳夫的建议下,决定用氧化物制造硫化物,虽然不太了解电池,但在日本进行的铁体研究中,他对氧化物的性质非常了解。

在尝试了数个材料做了大量实验后,有一次使用钴酸锂时,水岛发现电流很大,由此发现可作为锂离子电池的正极。但是,当时一直没有发现能与正极组合的负极材料,人们也无法想象锂离子电池有一天会真正实现应用。

被锂离子电池改变的社会

体积小、重量轻、持久耐用”等因素一直是锂离子电池的特点,与镍镉电池相比,储存同样容量的电,前者无论是在大小还是重量上都只需三分之一,而且可充电次数加倍,这一优点使得锂离子电池被应用在手机上,从而推动了手机的普及。

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根据微锂电团队了解,1987年推出的初代手机只有900克左右,使用的是镍镉电池。95年左右配备锂离子电池的手机重约150克,后经过不断改良,锂离子电池变得更小更耐用。

靠着其领先世界的电池技术,锂离子电池的生产也持续增长。根据日本经济产业省的调查,2018年锂离子电池的国内销售数量为13亿3千万个,是20年前的5倍以上,而电的总容量是当时的17倍。

锂离子电池巨大成就的背后,也发生了手机和电脑起火、异常发热等问题。2013年,该国一架喷气式客机飞行时,机体上的锂离子电池也出现了冒烟的情况。为了防止发热和短路,日本采取了多种安全措施。

电池发展现状

电动汽车(EV)和蓄电系统等用途也变得多样化。根据富士经济(东京)的调查,18年世界市场规模约为4兆日元,预计到2022年将超过7兆日元,其中约一半用于汽车。

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从世界来看,英法政府于2017年宣布,到2020年为止,将禁止以汽油等方式驱动的车辆的销售。世界第一和第二大经济体中国和美国也强化了对汽油车的限制,电动汽车普及的步伐由此加快。

电动汽车电池还能成为家里的电力来源。如果太阳能充电系统得到普及,不依靠汽油、石油等矿物燃料的能源“地产地消”将成为现实。汽车和住宅企业也开始了电动汽车和太阳能发电等的配套服务。

电池用于智能手机和电动汽车,其基本功能不变,但是动力电池对于温度变化、冲击的耐受力有很大的要求。另一方面,作为正极材料使用的钴等原料的供给源有限,因此存在环境破坏和价格暴涨的忧虑。

为此,使用镍和锰等代替钴的电池已进入实用化阶段,电极间的电解液也将替换为固体,新型锂离子电池的研究也将得到进一步推进。

锂离子电池的发明人吉野彰曾表示,“锂离子电池是世界走向移动IT社会的时候产生、成长起来的”,“希望这样的电池能成为解决环境问题的基础。”

吉野彰早前被日媒认为有可能获得诺贝尔化学奖,但其对电池领域的巨大贡献,是无法单纯用奖项来定性的。


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