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钴酸锂电池几乎出现在所有的移动产品里面

来源: 电池招聘网      作者:batthr     发布时间:2018-11-08 09:09:50     浏览次数:162    

    惠廷汉姆的发明让业界振奋,但充电燃烧和内部粉碎又极大地困扰着他们。古迪纳夫是这其中的一员,但他的思维却超越了同行们的思维框架。

  古迪纳夫推断,惠廷汉姆采用了硫化钛作为储存锂离子的正极材料,但充电时锂离子会一直朝着负极方向转移,当离开正极的锂离子达到一定数量之时,硫化钛正极材料会因为被掏空而自我坍塌,那么解决问题的关键就是寻找一种更加坚固的物质来取代硫化钛了。

  古迪纳夫将目标锁定在了金属氧化物(大方向正确是多么的重要!)他和两名博士后助手系统性地围绕着元素周期表进行探索,解析不同的金属元素和氧元素的结合来查明在什么电位下锂离子可以从这些氧化物中脱出,并且一点一点地摸索出在它们崩溃前能从其中抽出多少锂离子。

  直到1980年,也就是四年之后,古迪纳夫终于确定了最佳材料是钴,一种遍布非洲中南部的银白色金属。钴和锂的氧化物可以在4伏的电压下支持半数的锂离子脱出而不坍塌,这对于充电电池来说,足够了。

  用于可充电锂离子电池正极的钴酸锂,其性能远远优于当时的任何材料,使用钴酸锂做正极材料的电池,是市场上任何同类电池载电量的几倍,由此人类的电池技术终于向前迈出了实质性的一大步。如何评价古迪纳夫的历史性贡献呢?看看你的手机,还有此刻正在使用的笔记本电脑,以及你手边有的又没有的一切你能想到的便携式设备,为它们提供动力的全部都是钴酸锂电池

  哦对了,当年特斯拉的第一款汽车产品Roadster,用的也是钴酸锂。

  今天,钴酸锂电池几乎出现在这个世界上几乎所有的移动产品里面,但是无论是牛津还是古迪纳夫,却都没有从中赚得一分钱。原因是对于这项日后注定要改变世界的发明,牛津大学居然一点都不感冒。古迪纳夫向牛津大学进行专利申报的时候,后者认为这只是一项没有多大市场应用前景的简单科研成果,甚至拒绝为其申请专利!

  而古迪纳夫也一向对商业提不起一丝兴趣,但他又感觉将这项成果应该会对产业有所用处,扔在实验室里落灰有点可惜,于是就以极低的价格将这项技术的版权转售给了英国原子能科学研究中心,一家归属于英国原子能管理局的政府实验室。

  古迪纳夫参加过二战,也许生死早已看淡,钱财名利也就更是身外之物了。当然,这也就为他在日后陷入一系列专利战争,埋下了深深的伏笔。

  颇为讽刺的是,2010年11月的时候,英国皇家化学会在牛津大学当年的化学实验室的外墙上设立了一块蓝色牌匾,纪念这里为电池事业作出的伟大贡献,古迪纳夫排在第一位。

  如果没有钴酸锂会怎样?举个最简单不过的例子,还记得上个世纪80年代中国第一批土豪手里握着的大哥大吧,那像一块板砖一样的手机为什么会那么大那么重?就是因为没有用到钴酸锂。为什么在80年代钴酸锂电池没有被迅速地产业化,这是因为还有一个亟待解决的问题:电池负极。

钴酸锂电池几乎出现在这个世界上几乎所有的移动产品里面

  当时锂电池的负极材料使用的还是锂金属,用锂金属作负极的电池可以提供相当高的能量密度。但是这种锂电池又存在着很大的问题,一来金属锂会和有机电解液发生反应,使负极材料逐渐粉末化直至最终失去活性,二来电池在充放电过程中内部会生长出锂枝晶,从而有可能刺穿隔膜导致电池发生短路甚至燃烧爆炸。

  在钴酸锂诞生之后的十年之间里,锂离子电池发展进程异常缓慢最主要原因就是没有找到合适的负极材料。有研究人员试图通过使用锂和其它金属的合金或者化合物来代替金属锂,但是发现在充放电循环中锂合金会发生体积变化导致电池容量很快衰减。

  问题非常棘手,日本人,该你们上场了。

  日本的电子电器业巨头索尼公司同样对电池技术保持着极大的兴趣,从80年代就开始着手研发布局,并密切关注全球动态。没有资料显示索尼是何时从何人手中拿到钴酸锂这项技术的,但可以确定的是这项被英国人束之高阁的技术在日本人那里却如同至宝。

  这一页将被写进历史:1991年索尼发布了人类历史上第一个商用锂离子电池,这家公司把几节钴酸锂18650圆柱形锂电池装进最新款的CCD-TR1摄像机里的时候,整个世界的消费类电子产品的面貌从此将被彻底改写。

  做出了决定性贡献的是吉野彰(Akira Yoshino),他开创性的用碳(石墨)代替金属锂作为锂电池的负极,结合钴酸锂正极,从根本上改善了锂电池的容量、循环寿命,以及降低了成本,为锂电池的成功产业化助推了最后一把力。

  题外话,80年代末和索尼就锂电池商业化展开激烈竞争的是另一家日本化学和材料巨头旭化成公司,只可惜晚了一步。但在1992年,旭化成就和东芝成立了合资公司,开辟了锂电池业务。

  1999年,在东莞新科磁电厂当到工程总监的曾毓群辞职创业,建立了一家叫做新能源科技有限公司(AmperexTechnologyLimited,ATL)的电池公司,ATL最初的技术来源正是前面提到的贝尔实验室。在和埃克森竞争失利之后,这个大佬貌似已经在锂电江湖里沉寂许久了。但你若要就此小瞧这家被称为诺贝尔奖得主摇篮的科研机构,就大错特错了。

  在索尼推出锂离子电池之后,贝尔实验室成功拿下了聚合物锂电池的专利。聚合物电池跟其他锂电池的正负极材料以及工作机理相同,最重要的区别就在其电解液是凝胶状固态而非液态的。电解液变成固态之后最大的好处就是锂电池可以做到更轻更薄。而为了绕开索尼公司的圆柱形专利,贝尔实验室还发明了软包这种封装形式。

  对于这项专利,贝尔实验室采取来者不拒广撒网的策略,在全球范围内向包括ATL在内的二十多家公司出售了专利:先交一笔授权费,之后买卖出一块电池在从销售额中抽成。

  但是贝尔实验室没有说这种软包聚合物电池存在一个巨大的问题,就是一充电就鼓包胀气。最后就连贝尔实验室都说,这个是材料的本质问题,无解。

  接下来的故事大家都知道了,曾毓群通过改进电解液配方把问题解决了,ATL也成为获得专利授权的20多家公司中唯一成功量产的一家。之后就是大风起兮云飞扬,手机开始普及,ATL开始顺风顺水,先是在2004年拿下苹果MP3的电池订单,从2007年第一代iPhone发布起,ATL至今都是苹果的电池供应商。

  以手机和笔记本电脑为代表的数码产品时代,正式到来。

  题外话,到今天,ATL是占到一半市场份额的全球最大的聚合物锂电池供应商。虽然之后被日资收购,但我们不能抹灭这家公司在锂电池实现国产化的历史进程中起到的关键性作用。打个比方,ATL已然是中国本土锂电行业的黄埔军校。

 (本文资料来源于网络,如有侵权请联系删除!)

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