從鋰元素到鋰電池經(jīng)歷了哪些過程？鋰電池的發(fā)展歷史
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-14 12:33
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鋰電池的發(fā)展，得從鋰元素說起，這個(gè)元素周期表的一個(gè)金屬元素，在所有的金屬中，它最輕，密度低至0.534g/cm3;它最小，原子質(zhì)量小到6.95；它最活潑，極易與外界發(fā)生反應(yīng)。
1818年1月27日，身為礦物勘探愛好者的雅各布·貝采里烏斯（J?ns Jakob Berzelius）在他的個(gè)人日記中記錄下了他的最新發(fā)現(xiàn)，并在日后將此記錄通信給自己一位當(dāng)期刊編輯的好友。在他們的通信中，貝采里烏斯將自己新發(fā)現(xiàn)的這種金屬用“Lithion”命名，即希臘文中的“石頭”，后經(jīng)演化成“Lithium”，也就是今天的“鋰”。
即便再偉大的事物，在發(fā)光發(fā)熱之前，都難免要經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)間的忍耐與孤獨(dú)。鋰也不例外，從1818年到1913年將近一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里，人們都對(duì)這種閃亮、潔白、易燃的金屬敬而遠(yuǎn)之。
鋰是非?；顫姷膲A金屬元素，能和水以及氧氣反應(yīng)，而且在常溫下就能與氮?dú)獍l(fā)生反應(yīng)。它不論是在水里,還是在煤油里,都會(huì)浮上來燃燒，以至于化學(xué)家們最后只好把它強(qiáng)行捺入凡士林油或液體石蠟中。
因?yàn)殇嚨谋４?、使用或是加工都比其他金屬要?fù)雜得多，所以導(dǎo)致這種金屬長(zhǎng)期沒有得到應(yīng)用。鋰的命運(yùn)似乎注定被永遠(yuǎn)的封印在實(shí)驗(yàn)室和羊皮紙上。
1913年，轉(zhuǎn)折的時(shí)刻終于到來。
當(dāng)時(shí)歐洲正處于即將打響的戰(zhàn)爭(zhēng)陰影之下，但在平靜的大洋彼岸，美國(guó)的兩位化學(xué)物理科學(xué)家吉爾伯特·牛頓·劉易斯（Gilbert Newton Lewis）和弗雷德里克·喬治·凱斯（Frederick George Keyes）在研究為軍方提供更高效的儲(chǔ)能裝置時(shí)，發(fā)現(xiàn)了鋰的電化學(xué)活性出奇的高。
為此他們?cè)O(shè)計(jì)了經(jīng)典的三電極實(shí)驗(yàn)，精確的計(jì)算出鋰的電極電勢(shì)，并且在當(dāng)時(shí)的元素周期表尚不完整時(shí)就大膽預(yù)言，鋰是具有最低電位的電極材料。
兩位著名科學(xué)家的論斷至此開創(chuàng)了業(yè)界對(duì)鋰應(yīng)用于電池的極大熱情，即便是整個(gè)一戰(zhàn)也不能阻止。當(dāng)時(shí)科學(xué)家對(duì)鋰的研究熱情可能超出今天的想象，以至于一種宗教式的虔誠(chéng)情緒普遍出現(xiàn)在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)界。
由于鋰元素太過活潑，幾乎沒有什么是它不與其反應(yīng)的。所以找到急需找到一種電解液，和諧地與鋰元素共存就成了那個(gè)時(shí)代的當(dāng)務(wù)之急。
最終在1958年，來自美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的威廉·西德尼·哈里斯（William Sidney Harris）邁出了關(guān)鍵的一步，他成功地篩選出了兩位有望成為鋰電池的電解液，碳酸乙烯酯(EC)和碳酸丙烯酯(PC)，并且就鋰在水性電解液和有機(jī)電解液的不同行為展開了論述，最終確立了鋰-有機(jī)電解液這一組合無可撼動(dòng)的地位，直到今天依舊左右著鋰離子電池的發(fā)展。
可也正是這位哈里斯, 在最終EC和PC二選一的抉擇中，認(rèn)為二者電化學(xué)行為一致，故選擇了低熔點(diǎn)的PC。而正是這樣經(jīng)典的錯(cuò)誤引導(dǎo)，使得鋰離子電池的面世推遲了20年。 援引StraitsTImes教授消息，新加坡南洋理工大學(xué)研發(fā)人員通過增加電池電極實(shí)現(xiàn)了讓鋰電池在10小時(shí)內(nèi)恢復(fù)95%的可用容量。具體而言，新技術(shù)通過新增電極除去影響電池性能的“雜質(zhì)”物質(zhì)，使得電池性能得以恢復(fù)。
如果這項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，那么這將會(huì)對(duì)電動(dòng)車行業(yè)帶來極大利好。目前電動(dòng)車用鋰電池循環(huán)次數(shù)仍無法令人滿意，在實(shí)際使用幾年后電池容量損耗相當(dāng)大，更換電池的成本使得車輛使用成本激增。全新的電池修復(fù)技術(shù)可以極大降低電池更換的頻率，提升電動(dòng)車的性能和性價(jià)比。同樣是鋰電池，鈦酸鋰電池的耐低溫性能則比較優(yōu)異。尖晶石結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰負(fù)極材料嵌鋰電位約1.5V，不會(huì)形成鋰枝晶，在充放電過程中體積應(yīng)變小于1%。納米化的鈦酸鋰電池可大電流充放電，實(shí)現(xiàn)了低溫快充的同時(shí)又保障了電池的耐久性和安全性。比如，主打鈦酸鋰電池的銀隆新能源，其產(chǎn)品具備在-50-60℃的正常充放電能力。鈦酸鋰電池有著材料上的優(yōu)勢(shì)，它在低溫下仍然可以實(shí)現(xiàn)快充，這種任性，其他材料電池很難學(xué)來。
1818年1月27日，身為礦物勘探愛好者的雅各布·貝采里烏斯（J?ns Jakob Berzelius）在他的個(gè)人日記中記錄下了他的最新發(fā)現(xiàn)，并在日后將此記錄通信給自己一位當(dāng)期刊編輯的好友。在他們的通信中，貝采里烏斯將自己新發(fā)現(xiàn)的這種金屬用“Lithion”命名，即希臘文中的“石頭”，后經(jīng)演化成“Lithium”，也就是今天的“鋰”。
即便再偉大的事物，在發(fā)光發(fā)熱之前，都難免要經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)間的忍耐與孤獨(dú)。鋰也不例外，從1818年到1913年將近一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里，人們都對(duì)這種閃亮、潔白、易燃的金屬敬而遠(yuǎn)之。
鋰是非?；顫姷膲A金屬元素，能和水以及氧氣反應(yīng)，而且在常溫下就能與氮?dú)獍l(fā)生反應(yīng)。它不論是在水里,還是在煤油里,都會(huì)浮上來燃燒，以至于化學(xué)家們最后只好把它強(qiáng)行捺入凡士林油或液體石蠟中。
因?yàn)殇嚨谋４?、使用或是加工都比其他金屬要?fù)雜得多，所以導(dǎo)致這種金屬長(zhǎng)期沒有得到應(yīng)用。鋰的命運(yùn)似乎注定被永遠(yuǎn)的封印在實(shí)驗(yàn)室和羊皮紙上。
1913年，轉(zhuǎn)折的時(shí)刻終于到來。
當(dāng)時(shí)歐洲正處于即將打響的戰(zhàn)爭(zhēng)陰影之下，但在平靜的大洋彼岸，美國(guó)的兩位化學(xué)物理科學(xué)家吉爾伯特·牛頓·劉易斯（Gilbert Newton Lewis）和弗雷德里克·喬治·凱斯（Frederick George Keyes）在研究為軍方提供更高效的儲(chǔ)能裝置時(shí)，發(fā)現(xiàn)了鋰的電化學(xué)活性出奇的高。
為此他們?cè)O(shè)計(jì)了經(jīng)典的三電極實(shí)驗(yàn)，精確的計(jì)算出鋰的電極電勢(shì)，并且在當(dāng)時(shí)的元素周期表尚不完整時(shí)就大膽預(yù)言，鋰是具有最低電位的電極材料。
兩位著名科學(xué)家的論斷至此開創(chuàng)了業(yè)界對(duì)鋰應(yīng)用于電池的極大熱情，即便是整個(gè)一戰(zhàn)也不能阻止。當(dāng)時(shí)科學(xué)家對(duì)鋰的研究熱情可能超出今天的想象，以至于一種宗教式的虔誠(chéng)情緒普遍出現(xiàn)在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)界。
由于鋰元素太過活潑，幾乎沒有什么是它不與其反應(yīng)的。所以找到急需找到一種電解液，和諧地與鋰元素共存就成了那個(gè)時(shí)代的當(dāng)務(wù)之急。
最終在1958年，來自美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的威廉·西德尼·哈里斯（William Sidney Harris）邁出了關(guān)鍵的一步，他成功地篩選出了兩位有望成為鋰電池的電解液，碳酸乙烯酯(EC)和碳酸丙烯酯(PC)，并且就鋰在水性電解液和有機(jī)電解液的不同行為展開了論述，最終確立了鋰-有機(jī)電解液這一組合無可撼動(dòng)的地位，直到今天依舊左右著鋰離子電池的發(fā)展。
可也正是這位哈里斯, 在最終EC和PC二選一的抉擇中，認(rèn)為二者電化學(xué)行為一致，故選擇了低熔點(diǎn)的PC。而正是這樣經(jīng)典的錯(cuò)誤引導(dǎo)，使得鋰離子電池的面世推遲了20年。 援引StraitsTImes教授消息，新加坡南洋理工大學(xué)研發(fā)人員通過增加電池電極實(shí)現(xiàn)了讓鋰電池在10小時(shí)內(nèi)恢復(fù)95%的可用容量。具體而言，新技術(shù)通過新增電極除去影響電池性能的“雜質(zhì)”物質(zhì)，使得電池性能得以恢復(fù)。
如果這項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，那么這將會(huì)對(duì)電動(dòng)車行業(yè)帶來極大利好。目前電動(dòng)車用鋰電池循環(huán)次數(shù)仍無法令人滿意，在實(shí)際使用幾年后電池容量損耗相當(dāng)大，更換電池的成本使得車輛使用成本激增。全新的電池修復(fù)技術(shù)可以極大降低電池更換的頻率，提升電動(dòng)車的性能和性價(jià)比。同樣是鋰電池，鈦酸鋰電池的耐低溫性能則比較優(yōu)異。尖晶石結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰負(fù)極材料嵌鋰電位約1.5V，不會(huì)形成鋰枝晶，在充放電過程中體積應(yīng)變小于1%。納米化的鈦酸鋰電池可大電流充放電，實(shí)現(xiàn)了低溫快充的同時(shí)又保障了電池的耐久性和安全性。比如，主打鈦酸鋰電池的銀隆新能源，其產(chǎn)品具備在-50-60℃的正常充放電能力。鈦酸鋰電池有著材料上的優(yōu)勢(shì)，它在低溫下仍然可以實(shí)現(xiàn)快充，這種任性，其他材料電池很難學(xué)來。
