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诺贝尔奖与电动汽车的“锂想”,中国汽车产业能否实现弯道超车?

来源:作者:匿名 | 时间:2019-11-07 10:57:39

正是他们创造的可充电的世界,让电动汽车成为了可能,也让中国汽车产业拥有了“弯道超车”的机会。“十五”863计划电动汽车重大专项、“十一五”863计划节能与新能源汽车重大专项,可以说,中国汽车的新能源化   

2019年诺贝尔化学奖授予了三位科学家,美国科学家约翰·古德托、英国科学家斯坦利·惠廷翰和日本科学家阿基拉·吉野,以表彰他们在锂离子电池方面的研究成果。

诺贝尔“多年债务奖”终于还清了今年欠“足够好”先生的债务。

作为一名汽车从业者,尤其是在中国,我们必须高度尊重这三位老先生。正是他们创造的可充电世界使电动汽车成为可能,并给中国汽车工业提供了“弯道超车”的机会

一、锂离子电池之前的电动汽车

众所周知,电动汽车的发明早于内燃机。

早在1834年,托马斯·达文波特(Thomas Davenport)就在美国制造了一种由不可充电干电池驱动的电动汽车,这与目前“电池+电机”的组合相同,也导致了所谓的“新能源不是新的”。它的行驶速度不超过6公里/小时,也就是说,如果你走得更快,它就追不上你了。

1881年,法国工程师古斯塔夫·特鲁夫制造了一种由铅酸电池供电的可充电电动三轮车。这辆车仅重160公斤,最高时速可达12公里,几乎跟不上你共用自行车的速度。

托马斯·爱迪生甚至在1901年用镍铁电池生产了一辆续航能力为340.1公里的电动汽车。不愧是发明之王,在一百年前就能制造300多辆电动汽车,嗯,新能源汽车并不新鲜。

虽然在20世纪的前10年,电动汽车超过了内燃机和外燃发动机,但随着技术的快速发展和生产方式的改变,以福特T型车为代表的内燃机价格迅速下降,只有10%的电动汽车和昂贵的电动汽车告别了市场。

二、电动汽车的“李翔”

在过去的一百年里,尽管纯电动汽车已经复兴了几次,但是仍然很难动摇燃油汽车的基础。纯电动汽车总是像流星一样,一次又一次地划过历史天空。

虽然各种电池,包括铅酸、镍氢等。电动汽车在性能上从未能与燃油汽车竞争。主要原因是电池的能量密度太低。

为什么广泛使用的铅酸电池和镍氢电池能量密度低?

电池反应可以简单地理解为氧化还原反应。以铅酸蓄电池为例,它的充放电过程实际上就是铅获得和失去电子的过程。

中学化学告诉我们,元素原子通常只得到或失去最外层的电子,而内部的电子只是“强有力的后盾”和精神支撑。电子很轻,但为了实现质子的电荷平衡却很重,只有喊口号的内部电子与质子的重量比很多。

寻找元素周期表,铅(pb)在第6行,镍(ni)在第4行,分别有5层和4层内部电子,电子转移数/原子量值太低,这直接限制了其能量密度的上限。

根据大电子转移数和小原子量的逻辑,直接看左上角,答案是最轻的金属锂(li)。

然而,锂反应性太强,不能与电解质反应。直到1958年,加州大学伯克利分校的威廉西德尼哈里斯才发现了两种候选电解质——碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯,这两种电解质使锂电池成为可能。

早期锂电池的负极通常是锂,其反应方程式为:

当锂离子在负极中形成锂时,当热量不顺从地按顺序排列,而是从东向西奔流,从而形成“枝晶”。即使在今天,几十年后,锂枝晶仍然是整个锂工业的噩梦。在当时的技术条件下,锂电池的寿命和安全性是可以想象的。

不知所措的迈克尔·斯坦利·惠廷翰(Michael Stanley Whittingham)创造性地提出了从电池中消除金属锂的想法:使用特殊的层状材料作为主体,锂离子(li+)作为客体可以更随意地嵌入或剥离,而不影响主体的材料结构。

金属锂在电池中的消失使得可充电锂离子电池成为可能。惠廷翰后来获得了一个响亮的名字:“可充电锂离子电池之父”。

但是如何增加能量密度的问题没有答案。负极问题解决后,寻找合适的正极材料使锂离子电池具有足够高的能量密度成为人们关注的焦点。

这一次,约翰·班尼斯特·古德,传说中的“古德”绅士,扮演了英雄的角色。他的三次飞跃完全开启了锂离子电池的曙光,钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂都是由这位大师制造的。

迄今为止,钴酸锂已被用作几乎所有消费电子产品的阳极材料。

在商业化结束之前,所有的问题仍然是负极材料的测定。最后,吉野·阿基拉博士使用聚乙烯作为负极,最终生产出第一款商用可充电锂离子电池。

电池的能量密度取得了突破性进展,电动汽车终于看到了挑战燃料汽车的希望。

第一辆装有锂离子电池的电动车是特斯拉的跑车,一辆装有钴锂离子电池的超级电动车,加速时间为3.7秒,最大里程为393公里。配备锂离子电池的特斯拉跑车是通用ev1的永恒产品,与铅酸电池(第1代)和镍氢电池(第2代)相比,通用ev1的电池寿命只有144公里。

在这一点上,纯电动汽车最终具有与燃料汽车相同的资格。

3.电气化帮助中国汽车工业“曲线跨越”

谈到中国的汽车工业,中国人民总是很愤怒。几十年来,市场已经改变了技术,但什么也没有改变。汽车工业仍处于落后状态。事实上,中国自己品牌的建立只是在十年前。

2000年10月,中共中央《关于制定国民经济和社会发展第十个五年计划的建议》首次提出要振兴汽车制造业,并首次鼓励汽车进入家庭。从那以后,中国自己的汽车品牌开始迅速发展。

如何在短时间内快速缩小自主品牌与国外百年老店的差距,建立中国自主汽车产业体系,已成为亟待解决的问题。作为一名民用工业的大师,汽车工业对全国的工业基础,尤其是汽车发动机的核心有着很高的要求。

在追赶的路上,传统领域有很多困难,所以中国的汽车从业者把目光转向了新能源赛道。

“十五”863电动汽车重大项目和“十一五”863节能新能源汽车重大项目可以说是中国汽车新能源利用和自主品牌汽车同时启动。在考虑了各种技术方向和中国的具体情况后,最终决定优先发展纯电动汽车。在中国电动汽车的最初阶段,选择的是约翰·古德伊尔的磷酸铁锂电池。

中国基于锂离子电池的新能源汽车市场已成为全球最大的新能源汽车市场,自有品牌新能源汽车的全球销量占50%。在新能源汽车轨道上,中国汽车工业取得了阶段性的成功。

取得这些成就的前提是三位老先生的杰出贡献。

资料来源:第一电网

作者:氢云链

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