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钴酸锂电池的优势与缺点

来源: 电池招聘网 发布时间:2018-11-08 09:12:38浏览次数:80次

     历史的车轮继续转动。

  钴酸锂电池虽然有着诸多优势,但随着大规模的应用,其缺点也开始暴露出来:首先就是成本高,因为钴毕竟是一种价格昂贵的小金属;其次是抗过充和循环性能差;最后就是废弃污染严重。

  所以在发明了钴酸锂之后,为了找到一种比钴便宜的替代金属,同时寻找一个更利于锂离子高效运动的结构。古迪纳夫和他的学生迈克·萨克雷(Mike Thackeray)紧接着又开始了对一种比钴酸锂更好的正极材料的寻找。

  钴酸锂正极材料中的原子是凸一层层堆叠起来的片层架构,充放电过程中锂离子只是在这些片层之间来回脱嵌。古迪纳夫想到了尖晶石(又一个正确的方向),他认为尖晶石结构的原子排列的方式允许锂离子可以在三维空间中进行扩散,也就是尖晶石允许锂离子通过多个通道中往返,从而大幅度提高锂电池的充放电倍率。

  1982年,萨克雷发明了一种开创性的锰基尖晶石,即之后被日系车企大批量应用到电动汽车之上的锰酸锂电池。此后,萨克雷跳到美国的阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory, ANL)任职,专注于锂电池的研发。而ANL在此后的专利大战中,还有更重要的戏份。

  1986年,在从牛津大学回到美国,担任德克萨斯大学奥斯汀分校的科克雷尔工程学院机械工程和电气工程系的教授之后,古迪纳夫开始了下一个探索之旅,同时也将深陷有史以来最大的专利大战之中。

  1993年,当古迪纳夫和他的团队正在专心致志地徜徉在材料化学的奇幻海洋中时,他的实验室来了一位叫冈田重人的访问学者(没错,日本人),冈田在此之前是日本国内的电话巨头日本电报电话公共公司(NTT)的移动通信工程总监。

  古迪纳夫没有多想,就让冈田留了下来,因为这本来就是学术界很正常的交流活动,更何况NTT还给实验室提供了一批实验经费。

 钴酸锂电池

  但是很快,古迪纳夫就会认识到天下没有白来的午餐,七十多岁的古迪纳夫非常痛苦的认识到,虽已过古稀之年,但自己仍旧是 too young,too simple。

  古迪纳夫和他的团队继续寻找这可以代替钴酸锂的更优秀的正极材料物质,他们开始系统地调换周期表里的各种金属元素,最终将名单缩小到最后的一个目标——铁和磷的组合。

  最终,铁和磷没有形成古迪纳夫想要的尖晶石构型,但是却无心插柳地组成了另外一种晶体结构——橄榄石。即钴酸锂、锰酸锂之后,锂离子电池的第三种正极材料就此诞生:磷酸铁锂。

  是的你没看错,这三种最重要的锂离子电池正极,全部诞生自古迪纳夫的实验室,而这里也成了世界锂电池的摇篮。

  这次,古迪纳夫就算是再迟钝,也很快认识到了这项发明的重要性,他认为这个研究成果绝对会震惊世界。但万万没想到的是,在古迪纳夫带领团队在研发的第一线奋战的时候,他们的研究成果被源源不断地通过冈田传回了日本。

  冈田的雇主NTT公司,在当年(1995年)11月就悄无声息地申请了专利,也许是做贼心虚以及不想在美国引起麻烦,NTT申请的只是日本的专利。

  但这依然让古迪纳夫感受到震惊和愤怒,直到第二年听到消息之后他才反应过来,所谓的访问学者原来就是日本公司派来窃取研究情报的间谍。

  磷酸铁锂电池具备的成本低、充放电效能高、使用寿命长、热稳定性高等优势,使这种正极材料拥有着巨大的市场潜力。

  1996年,德州大学代表古迪纳夫的实验室向美国申请了专利,并在1997年10月被批准,这项编号为WO 1997040541的专利是磷酸铁锂电池的第一个基础专利。

  很快,另一位世界级的锂电科学家米歇尔·阿尔芒(Michel Armand)也加入了近来,这位法国人被公认为世界锂电池产业的奠基人之一。这位大佬在1980年提出“摇椅式电池”概念(锂离子电池的基本运行理念),索尼正是基于这个概念,于1990年成功完成了世界第一歌锂离子电池的商业化。

  阿尔芒提出了用1%的碳对磷酸铁锂进行包覆,从而有效解决了磷酸铁锂材料导电性能差,不适宜大电流重放电的问题。经过包碳之后,磷酸铁锂电池可以在80℃和1C倍率的条件下,达到160mAh/g的容量,并且具有较好的导电性能。

  解决了这个问题之后,阿尔芒和古迪纳夫共同申请了磷酸铁锂包碳技术的专利,这就是第二个磷酸铁锂的基础专利,这项专利让磷酸铁锂电池从实验室走向市场变成了可能。

  这两项专利,是磷酸铁锂技术路线无论如何都无法绕行的两大核心技术专利。

  这期间,阿尔芒正好在加拿大蒙特利尔大学担任化学系的教授,所以就在当地创建了由加拿大国家公共事业魁北克水力公司(Hydro-Quebec,H-Q)投资的的Phostech Lithium公司。

  由此,H-Q和Phostech成为获得这两项磷酸铁锂的基础专利独家授权的单位。

  但是,由于太多说不清道不明的原因,古迪纳夫老爷子的核心技术早已通过各种各样的渠道,散布到全世界各地去了。

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