锂电材料路在何方—John B. Goodenough

发表时间: 2019-10-12 阅读量:837

北京时间10月9日下午5点45分,2019年度诺贝尔化学奖授予美国得州大学奥斯汀分校John B. Goodenough教授、纽约州立大学宾汉姆顿分校M.stanley Whittlingham教授和日本化学家Akira Yoshino,以表彰其在锂离子电池的发展方面作出的贡献。John B. Goodenough教授今年加冕,同时也刷新诺贝尔奖新纪录—成为最年长的诺贝尔奖得主。MDPI期刊Materials很荣幸发表了John B. Goodenough教授与其科研团队题为“Advanced Electrodes for High Power Li-ion Batteries”的综述,为锂电池未来发展道路指明方向。阅读全文请点击: https://www.mdpi.com/1996-1944/6/3/1028

“我才92岁,我的人生长着呢”。美国得州大学奥斯汀分校的John B. Goodenough教授,陪跑诺奖这么多年,大家都为他打抱不平,只有他自己泰然自若。终于,被称为“锂电池之父”的二战老兵Goodenough教授,如愿摘下诺贝尔化学奖。

时至今日,97岁高龄的John B. Goodenough教授依然奋战在科研的第一线。也正是因为他当初在林肯实验室里对金属氧化物材料进行了大量研究,才能提出LIB(Li-ion Batteries)嵌入、脱出的工作机制,使得锂电池枝晶问题得到了改善,既解决了电池的安全性问题,又降低了电池的制造成本,从而实现了LIB技术的革命性突破,使LIB迈向体积更小、容积更大、使用方式更稳定的商业化过程。如今,你我身边几乎所有的移动电子设备,手机、照相机、手持摄像机乃至电动汽车等,都是Goodenough教授赋予我们的时代红利。

然而,随着时代的发展,电池电量的不耐用性是否会成为最影响我们使用电子设备的壁垒?电池技术却成为了便携式科技发展最大的短板。正如Goodenough教授及其团队发表在Materials期刊综述所说。在过去的几年中,研究人员为开发高容量LIB的材料做了大量研究和努力,但是却取得了很小的成功。Goodenough教授通过搜集整理了百余篇有关LIB研究材料的报道,并分析当前锂离子的进展及瓶颈,给出了非常有见地的学术指导。

 

文中指出,虽然电池容量很难得到本质提高,但是随着纳米科技(NT, Nanotechnology),表面改性(SMT, Surface Modification)和日新月异合成技术(ST, Multi-composite Synthesis)的发展,我们已经可以显着提高功率密度。通过提高功率密度(PD, Power Density),可以进行急速快充。想象一下你驾驶一辆特斯拉,在服务站上厕所的时间,电量就已经充满,比加油还要迅速,是否变相的让电池容量得到了提高?该理论,可谓另辟蹊径,为混合动力汽车,大功率电子设备和智能设备等,解决了电能供应间歇性的问题。

 

 

 

同时,Goodenough教授总结了可以成功获得具有高PD的三种主流方法(NT, SMT, ST)。指出当电极材料的尺寸<100nm时,这可以增加电极材料与电解质的表面接触,从而提高了锂离子电池的功率密度。然而,过渡的纳米化,导致比表面积增加,因此电极材料表面层以及SEI效应变得越来越重要。因此通过SMT,研发具有良好的结晶表面层材料显得极为重要。Goodenough教授指出层状结构和橄榄石结构电极材料非常具有前景。如Li4Ti5O12便是一个非常稳定,且高PD的负极材料(高倍率,2W+循环)。目前,格力银泰投资的100亿建设新能源便是开发Li4Ti5O12电极材料。但是相比于传统的石墨负极,Li4Ti5O12的能量密度不高。Goodenough教授指出,通过使用LiFePO4表面涂覆ST,可以提高能量密度,而且保护颗粒的内芯不与电解质接触和反应,这不仅可以防止形成电阻性SEI层,而且还可以防止形成SEI层提高了锂离子电池的安全性。

 

随着时代的进步,各种科技也在不断应用于新材料的研发,但这也表明锂离子电池在不久的将来仍将面临在更多能量密度和更大功率密度之间进行选择的挑战。

 

狂热的科研潮,在Goodenough教授心中起不了任何波澜,但他的每一项成果都具有朴素的实用意义。科研就是这样,耐得住寂寞,才能摘取真理的桂冠。就如Goodenough教授曾说的:有些人就像是乌龟,走得慢,也找不着路,但它却能够一直不停地爬下去。更多的材料科学报道,敬请查阅Materials期刊相关文章。

 

Materials (ISSN 1996-1944, IF 2.972) 是一个国际型开放获取期刊。期刊主题涵盖材料科学和工程研究的各个方面。Materials 采取单盲同行评审,一审周期约为12.2天,文章从接收到发表仅需3.5天。

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