作為2019諾貝爾化學(xué)獎得主，“鋰電池之父”Stanly Whittingham做出重要預(yù)言：未來5到10年，鋰電池將會繼續(xù)成為行業(yè)主流，最終目標(biāo)是能量密度更高的硫鋰電池。他同時(shí)還認(rèn)為，磷酸電池才將是下一代電池。其原因主要是磷酸材料更安全、成本更低。

Whittingham 是鋰離子電池發(fā)展史上的關(guān)鍵人物，他在上世紀(jì)70年代首次發(fā)現(xiàn)了嵌入電極，并在70年代后期徹底描述了可充電電池的嵌入反應(yīng)的感念。他擁有在高功率密度、高可逆性鋰電池中使用嵌入化學(xué)概念的原始專利。

他發(fā)明了首個(gè)可充電鋰離子電池，該電池在1977年獲得了專利并轉(zhuǎn)讓給?？松梨诠?。目前鋰離子電池已廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、電動汽車等領(lǐng)域。他在鋰電池方面的貢獻(xiàn)為其他追隨者的后續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，因此，他被稱為“鋰電池之父”。

【資料圖】

2019年，Whittingham 與美國科學(xué)家約翰·古迪納夫和日本科學(xué)家吉野彰一起，因在鋰離子電池方面的開創(chuàng)性研究，共同獲得了諾貝爾化學(xué)獎。

Whittingham 在演講中指出，現(xiàn)在的電池存在巨大的改進(jìn)機(jī)會。已經(jīng)商業(yè)化的電池的能量密度僅為理論上能量密度的一小部分。從體積能量密度來看，僅實(shí)現(xiàn)了理論密度的11%到25%。從重力能量密度來看，也僅為理論的25%。

“我們需要在正極材料中有更多的鋰含量。我們需要更好的正極材料，從而讓離子和電子可以移動的速度更快?！?/p>

Whittingham表示，在美國，有個(gè)宏大的“電池500”計(jì)劃，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)500 Wh/kg。這個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)進(jìn)行了5年。項(xiàng)目于2017年開始，現(xiàn)在進(jìn)入第二個(gè)五年期。已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了至少350 Wh/kg，而商業(yè)電池僅達(dá)到了250 Wh/kg?，F(xiàn)在實(shí)現(xiàn)了超過807次充電次數(shù)，未來5年里，將提高充電次數(shù)。

演講中，Whittingham 指出，未來5到10年，鋰電池將會繼續(xù)成為行業(yè)主流，最終目標(biāo)是能量密度更高的硫鋰電池。鈉離子電池或許也會發(fā)揮作用，寧德時(shí)代在不久的將來會實(shí)現(xiàn)基于普魯士白原料的鈉離子電池的商業(yè)化，而氧化還原液流電池或也可能實(shí)現(xiàn)突破，但是考慮到腐蝕和其他問題，它們存在成本的問題。

不過，Whittingham認(rèn)為，磷酸電池將是下一代電池。其原因主要是磷酸材料更安全、成本更低。磷酸材料由于不含鈷，也不含鎳，因此成本更低，且更容易獲得。

他相信，中國將會充分利用他們在鋰和磷酸材料上的專業(yè)知識，來制造磷酸電池。

以下為Stanley Whittingham的演講內(nèi)容：

先生們，女士們，我在美國紐約州北部向大家問好。

我希望和大家討論電池，特別是鋰電池的過去、現(xiàn)在和未來。

首先，讓我回顧下三年前諾貝爾獎委員會的頒獎辭。諾貝爾獎委員會認(rèn)為，我和另外兩名獲獎?wù)?-約翰·古迪納夫和吉野彰，奠定了無線、無化石燃料社會的基礎(chǔ)，極大地推動了人類的發(fā)展。

現(xiàn)在，我們將這項(xiàng)研究付諸實(shí)際應(yīng)用，并為所有人建設(shè)了一個(gè)更加環(huán)保、綠色的社會。我想，現(xiàn)在每個(gè)人口袋里都有智能手機(jī)，這些手機(jī)里都有輕便的鋰電池。與20年前相比，我們的生活發(fā)生了顛覆性的變化。

讓我們回到最初。第一批可充電的鋰電池于50年前，在我之前的公司ESSO 的實(shí)驗(yàn)室里誕生。今天，在運(yùn)輸行業(yè)，電池已經(jīng)應(yīng)用在各種車輛上。

幾天前，我在倫敦，拍了一些倫敦交通系統(tǒng)的照片，這些照片顯示了當(dāng)?shù)貫榍鍧嵀h(huán)境所做的努力。街上有清潔能源的電動公交車，有混合動能的公交車，還有氫能公交車?，F(xiàn)在，公共交通系統(tǒng)的車輛都在轉(zhuǎn)向使用清潔能源。

在儲能領(lǐng)域，我們來看現(xiàn)在的情況，多數(shù)清潔、可再生能源都無法均勻地、持續(xù)地產(chǎn)生，所以必須儲存起來。

現(xiàn)在可再生能源的成本低于新建的以煤炭為燃料的發(fā)電廠，新能源正在取代煤炭為能源的發(fā)電廠，但可再生能源的輸出是斷斷續(xù)續(xù)的。我們必須將電力儲存起來，電池是最靈活的解決方案。

接下來，我來講一下鋰離子電池的歷史。

透過歷史，我們知道我們從哪里來，到哪里去。最早開發(fā)的負(fù)極是使用純鋰金屬。之后，由于鋰枝晶的形成，純鋰金屬變得不安全，所以鋁鋰合金取代了純鋰。接著，吉野彰用碳基材料替代鋁鋰合金作為負(fù)極材料。

我來詳細(xì)解釋下這個(gè)階段。所有這些反應(yīng)，我們統(tǒng)稱為“嵌入反應(yīng)”。也就是說，我們有了客人，即這些綠色的小圓點(diǎn)—鋰原子。它們進(jìn)入晶格里，在這個(gè)反應(yīng)里，是碳基材料。你可以把它們放進(jìn)去，然后再取出來，而不會改變嵌入的晶格。

但是碳是非常低效的，它占掉了電池的一半體積。因此，未來我們將會看到這樣一個(gè)趨勢，為了取代它，理想狀態(tài)下重新使用純鋰。同時(shí)，也有很多研究集中在錫和硅材料上，因?yàn)樗鼈冊谳^小體積內(nèi)可以存儲與純鋰所儲存的相同能量。

在正極一側(cè)，我們使用了嵌入化合物 -- 二硫化鈦。當(dāng)時(shí)在牛津大學(xué)工作的古迪納夫 （John Goodenough）意識到氧化鋰鈷具有相同的結(jié)構(gòu)，所以他進(jìn)行了研究。現(xiàn)在氧化鋰鈷仍用在小巧的設(shè)備上，如手提電腦、手機(jī)等。但是鈷涉及很多敏感問題，如成本昂貴，因此很多情況下避免使用鈷，而繼續(xù)使用二氧化鋰。但是我們有了鎳和錳，它們已經(jīng)取代了90%的鈷。一些公司，如特斯拉，使用鎳鈷鋁混合物。

但是電網(wǎng)儲能采用的是磷酸材料。磷酸材料是由古迪納夫最早發(fā)現(xiàn)的。目前，科學(xué)家們正在研究磷酸錳鐵材料的商業(yè)化，因?yàn)樗鼈冇休^高的電壓。

這兩種材料均能量密度都非常低。因此我們把第二個(gè)鋰原子加入這些材料，從而提高電池的能量密度。這些研究成果被授權(quán)給Eveready公司。Eveready和索尼有一個(gè)合作研究項(xiàng)目，從而讓索尼獲得了知識產(chǎn)權(quán)。1991年，索尼成功將這些研究成果實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。

從最初到現(xiàn)在，在正極方面，并沒有太多變化。這些多層材料，從硫化物到氧化鎳，在一些地方依然是現(xiàn)在使用最多的材料。很明顯，在中國它們也依然是主流材料。

讓我們看看未來可能發(fā)生什么？我想指出的是已經(jīng)商業(yè)化的電池的能量密度僅為理論上能量密度的一小部分。從體積能量密度來看，僅實(shí)現(xiàn)了理論密度的11%到25%。從重力能量密度來看，也僅為理論的25%。因此，現(xiàn)在的電池存在巨大的改進(jìn)機(jī)會。

我們需要在正極材料中有更多的鋰含量。我們需要更好的正極材料，從而讓離子和電子可以移動的速度更快。

在美國，我們有個(gè)宏大的“電池500”計(jì)劃，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)500 Wh/kg。這個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)進(jìn)行了5年。項(xiàng)目于2017年開始，現(xiàn)在我們進(jìn)入第二個(gè)五年期。我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了至少350 Wh/kg，而商業(yè)電池僅達(dá)到了250 Wh/kg?，F(xiàn)在我們實(shí)現(xiàn)了超過807次充電次數(shù)，未來5年里，我們將提高充電次數(shù)。

雖然電池的能量密度在增加，而成本持續(xù)下降，但我們?nèi)员仨毑粩嘞蚯巴七M(jìn)，將這些材料用到極致。不過，同時(shí)也帶來了挑戰(zhàn)，即安全與能量密度的沖突。

對此，我們領(lǐng)域的所有人都在致力于解決這個(gè)問題。我們面臨的一大挑戰(zhàn)是：如何才能讓電池更安全？

一個(gè)辦法是，減少這些材料的表面面積。即表面面積減少后，如果哪里出錯(cuò)了，負(fù)面反應(yīng)也會慢很多。因此，在1976年，當(dāng)我們開始研究時(shí)，使用了單晶體。索尼自1991年開始的初期研究里，也一直采用單晶體。

今天我們使用的材料叫“肉丸子”。因?yàn)楸砻婷娣e大，所以能量也大，但是安全性降低。因此，我們重新使用三元（NMC）材料，形成單晶體，從而縮小表面面積。包括劉俊在內(nèi)的科學(xué)家也都表示，如果我們可以做到這一點(diǎn)，我們就能制造行駛100萬英里的充電電池。

事實(shí)上，沒有人會開100萬英里，但這一成果如果能夠付諸實(shí)際應(yīng)用，我們可以在不用電車時(shí)，一直聯(lián)在電網(wǎng)上。這將使得電網(wǎng)更穩(wěn)定。如果電網(wǎng)的電力減少，可以用電池給家里供電。

因此，我們同世界上其他對單晶體感興趣的很多研究機(jī)構(gòu)一起，進(jìn)行了這個(gè)方向的研究。我們目前正在研究單晶體的形態(tài)，也就是形態(tài)最優(yōu)化的問題。這就是我們領(lǐng)域目前面臨的挑戰(zhàn)，以及我們?nèi)绾稳?yīng)對挑戰(zhàn)。

現(xiàn)在世界范圍內(nèi)，包括中國，多數(shù)在研究NMC材料，有60%的鎳，20%的錳和20%的鈷，也有50%的鎳，會有多種組合，其目標(biāo)都是將鈷含量從目前的20%降到5%。

現(xiàn)在很多研究都集中在將鎳材料提升到80%的含量上。隨著時(shí)間的推移，將會有更多種類的正極材料，但也不會有太多。

我們開始研究鋰鈦硫化物，加拿大的Moli Energy 公司開始采用二硫化鉬。二硫化鉬在加拿大是自然形成的礦物質(zhì)，所以成本更低。他們將這種材料商業(yè)化，已經(jīng)上市幾年了。

當(dāng)石墨作為負(fù)極材料時(shí)，氧化鋰鈷材料(LCO)被使用，由于石墨負(fù)極材料降低電壓，就演變?yōu)镹MC三元材料，同時(shí)加入鋁，從而就起到穩(wěn)定作用，這是目前使用的主流正極材料。

多年來，磷酸鋰材料一直是中國開發(fā)的主流正極材料。但是，我認(rèn)為能量密度有點(diǎn)低。在賓漢姆頓（Binghamton），我們正在致力于商業(yè)化磷酸錳鋰材料，它有4伏電壓，比磷酸鋰材料高出半伏。

我們認(rèn)為，磷酸電池將是下一代電池。其原因主要是磷酸材料更安全、成本更低。磷酸材料由于不含鈷，也不含鎳，因此成本更低，且更容易獲得。

我相信，中國將會充分利用他們在鋰和磷酸材料上的專業(yè)知識，來制造磷酸電池。

當(dāng)下研究比較火熱的是固態(tài)電池。很多人認(rèn)為固態(tài)電池是無法商業(yè)化的，其實(shí)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化了。

最初的固態(tài)電池研究工作來自3M、蒙特利爾大學(xué)、加拿大魁北克省電力公司，有美國能源部資金的支持，使用聚環(huán)氧乙烷作為電解質(zhì)。

雖然研究并不那么成功，但是該項(xiàng)目由法國Bolloré 集團(tuán)的子公司Blue Solutions公司繼續(xù)研究。他們生產(chǎn)了使用固態(tài)電池的汽車。在美國印第安納波利斯、巴黎和其他城市，固態(tài)電池共享電車被認(rèn)為非常安全，已經(jīng)被投入使用。

Michel Armand 曾說過，你可以點(diǎn)燃汽車，但電池依然安好。在巴黎，有些小混混經(jīng)常會點(diǎn)燃汽車，然后他們把電池取出來，發(fā)現(xiàn)電池完好無損。但最近，體積更大些的固體電池引發(fā)了幾起火災(zāi)。

這里有一張照片，照片里的奔馳公共汽車裝的就是固體電池。大約一年前，其中一輛固態(tài)電池公交車在充電時(shí)著火了。

關(guān)于起火原因的仍在研究中。最初的懷疑是電池太熱了，所以鋰融化了。這輛公共汽車著火后，摧毀了整個(gè)車庫和其他25輛公共汽車。因此，一些德國城市緊急停運(yùn)了這些固態(tài)電池公共汽車。巴黎也有幾次起火事件，涉及不同品牌的公共汽車，但都是聚環(huán)氧乙烷作為電解質(zhì)的固態(tài)電池。

因此，問題來了，固態(tài)電池是否比鋰電池更安全？鋰電池的未來在哪里？

我們可以看到，電池會設(shè)計(jì)得更容易重復(fù)利用。長途運(yùn)輸電池的原材料和成品將消耗大量能源，并釋放大量二氧化碳，不具有可持續(xù)性。隨著全球?qū)﹄姵氐男枨蟪手笖?shù)倍增，未來地區(qū)性的供應(yīng)鏈將成為常態(tài)。

我相信，今后5到10年，鋰電池將繼續(xù)為行業(yè)主流，最終目標(biāo)是能量密度更高的硫鋰電池。如果我們談到電動飛機(jī)，鋰硫電池幾乎是標(biāo)配。鈉離子電池或許也會發(fā)揮作用，寧德時(shí)代在不久的將來會實(shí)現(xiàn)基于普魯士白原料的鈉離子電池的商業(yè)化。同時(shí)我也認(rèn)為，氧化還原液流電池或也可能實(shí)現(xiàn)突破，但是考慮到腐蝕和其他問題，它們存在成本的問題。

關(guān)鍵詞： 能量密度 成本更低 公共汽車