镍镉电池的应用 2019 年诺贝尔化学奖授予三位锂电池领域科学家

镍镉电池的应用 2019 年诺贝尔化学奖授予三位锂电池领域科学家

10月9日中午，瑞典皇家科学院将2019年诺贝尔化学奖授予美国德克萨斯大学奥斯汀分校的约翰·B·古德诺、宾汉姆顿大学的斯坦利·惠廷汉姆、日本名城大学的吉野彰，以表彰他们为锂电池发展所做出的贡献。

据报道，77岁的美国化学家斯坦利·惠廷汉、97岁的约翰·B·古德诺和71岁的日本化学家吉野彰，因在“锂离子电池”领域做出的杰出贡献，被授予2019年诺贝尔化学奖。

锂离子电池是近几十年来技术革命的基石。这种可充电的长寿命电池为手机、笔记本电脑和其他设备提供了动力。它们可以扩大规模，为汽车或家庭供电。它们甚至可用于可再生能源。它们还可以小型化，并用于植入式心脏起搏器等设备。

从手机到电动汽车，可充电锂离子电池几乎无处不在，它们可以储存来自太阳能和风能的大量能量。这些最受欢迎的锂离子电池应用在基础研究中是如何产生和发展的？在全球市场上，三大应用领域最近正在发生什么变化？

锂离子电池基础研究的起源与重点

锂离子电池是化学如何改变我们生活的一个很好的例子。锂离子电池由锂离子从一种材料流向另一种材料来供电。当电池使用时，带正电的锂离子从阳极流向阴极，释放出电子流，从而产生电流。当电池充电时，锂离子会反向流动，使电池重新充电。

电池的起源始于 1970 年的石油危机。由此引发的油价上涨和美国各地的汽油短缺促使人们研究替代能源和节约能源。这也促使斯坦利·惠廷汉姆研究超导体。在此过程中，他发现了一种名为二硫化钛的富含能量的材料，这种材料在分子水平上有足够的空间容纳锂离子。他发明了一种电池，其中阳极的一部分由金属锂制成。这个想法奏效了，但惠廷汉姆的电池非常不稳定，长时间使用后容易爆炸。

图：锂离子电池原理示意图。

尽管如此，它还是比当时的酸电池有了很大的改进。“这项技术的一大优势是，锂离子电池储存的能量大约是铅酸电池的 10 倍，或者是镍镉电池的 5 倍，”惠廷汉姆告诉《纽约时报》。“它们也轻得多。因此，转向锂离子电池的势头很强劲。”

1980 年，约翰·B·古德诺 (John B. ) 完善了这一概念，系统地寻找二硫化钛的替代品。他发现氧化钴可以完成同样的工作，并产生高达 4 伏的电压，是以前电池电压的两倍多。1985 年，吉野用锂离子分层的石油焦代替了电池中的金属锂，制造出了一种更安全的电池。1991 年，这一概念已经足够商业化，因此索尼发布了第一款可充电锂离子电池。

索尼将钴酸锂与石墨相结合，开发出新型可充电锂电池。整个电池中没有纯锂，因此安全性大大提高。高性能、低成本、安全性好，这款锂离子电池一经问世就立刻受到热捧，助力索尼成为行业领头羊。

97 岁的古德诺在接受媒体采访时写道：“我完全不知道电气工程师会如何使用电池。我真的没想到手机、摄像机、汽车电池等等。”

应用领域三大发展趋势

从下游应用市场来看，锂电池主要分为动力电池、储能电池、3C电池三大领域，代表性锂电池企业有宁德时代、比亚迪、国轩高科、德赛电池等。

根据高工产业研究院（GGII）研究报告显示，去年中国3C锂电池产量同比下滑2.15%至31.8GWh。未来两年3C锂电池年复合增长率为7.87%，预计到2021年中国3C电池产量将达到37GWh。高端数码软包电池、柔性电池、高倍率电池等将受到高端智能手机、可穿戴设备、无人机等领域的拉动，成为数码电池市场主要增长点。

在智能手机领域，锂离子电池正显示出巨大的优势。一位知名微博用户称，日本科学家吉野彰拿着手机，充电接口显示这是一部华为智能手机，而华为手机采用的是锂离子电池。

据前瞻研究院数据显示，2018年，我国手机电池市场供给量超过需求量约3.06亿台。未来手机电池将向着体积小、容量大、重量轻、能量密度高的方向发展。锂离子电池目前包括液态锂离子电池（LIB）和聚合物锂离子电池（PLB），其中聚合物锂离子电池主要应用于手机电池。

从技术趋势来看，快充电池已经成为手机锂电池的重要发展方向，比如OPPO的65W超级闪充让Reno Ace成为了目前市面上充电速度最快的智能手机，据称只需不到30分钟就能充满的电池。

智能手机的普及使得手机功耗增大，加速了快充技术的需求。目前业界普遍采用高压充电，增加充电传输功率，以减少充电时间。因此在保证能量密度的同时，提高锂电池对快充的耐受性是技术发展的关键。

5G手机耗电量比4G手机高出数倍，多电芯电池成为趋势。手机耗电量不断增加的另一个解决方案是超长待机时间，这使得双电芯方案很可能成为电池发展的下一个领域。据悉，5G手机耗电量明显高于4G手机，而5G芯片的功耗是4G芯片的2.5倍，这就要求手机拥有更大的电池容量和更好的散热性能。多电芯电池的使用让Pack厂商受益匪浅。

由于受上下游原材料供应及下游手机厂商分布的影响，我国手机电池主要产能分布在广东、江苏、福建、山东、浙江五个省份。其中，广东是手机电池发展最为成熟的省份，广东省手机电池产量占手机电池生产优势省份的83%。以德赛电池为例，其是国内最早从事锂电池封装集成及电源管理的厂商，公司客户包括苹果、华为、三星、小米等，其中苹果系列电源管理在公司份额超过一半。

动力电池发展迅猛，新能源汽车带动效应明显。受新能源汽车产业发展带动，2017-2018年中国动力电池保持高速增长。据GGII调查统计，去年中国动力电池市场产量同比增长46.07%至65GWh，是锂电池行业中产量最大的细分领域。

高安全+高比能，高能量密度三元锂电池成为厂商研发重点。宁德时代是中国最大的动力电池厂商，今年上半年其动力电池装机量达13.8GWh，国内市场占有率达46%。根据《汽车产业中长期发展规划》，到2020年，动力电池单体能量密度要达到300Wh/kg以上，力争做到350Wh/kg，系统能量密度力争达到260Wh/kg，成本降至1元/Wh以内。但目前行业现状是，2020年依靠三元锂电池实现系统能量密度260Wh/kg的目标，只有宁德时代一家可能做到。

从纯电动乘用车市场来看，消费者需要高比能量的电池来满足续驶里程的需求，未来高能量密度电池的需求量将不断增加。高比能量是发展趋势，但安全问题需要特别关注。

据外媒报道，特斯拉正在美国弗里蒙特工厂附近的“秘密实验室”内研发自己的锂离子电池，并开始探索相关电池产品量产的技术储备。而此前，特斯拉的动力电池供应一直依赖于日本合作伙伴松下。

储能电池市场处于起步阶段，目前储能电池市场主要有三大应用领域：电力储能、家庭储能、基站储能。随着特斯拉掀起的“能源家居”浪潮，家庭储能还有较大的发展空间和拓展空间，但目前主要集中在美国、德国、澳大利亚、日本等海外地区，国内尚处于发展初期。

在全球市场，特斯拉近期承诺将在澳大利亚建设全球最大电池储能系统。马斯克也刚刚在财报电话会议中宣布，特斯拉太阳能屋顶已正式进入首批用户屋顶。宜家已在英国开始销售家用太阳能电池板和储能电池，这进一步标志着“储能”在新能源行业的重要地位。虽然中国储能锂离子电池市场空间巨大，但受成本、技术等因素影响，目前仍处于市场导入阶段。