科普 - 我们如何制造可充电锂离子电池

本文内容翻译自John B. Goodenough于2018年在学术期刊《Nature Electronics》上发表的文章:“How we made the Li-ion rechargeable battery”。DOI: 10.1038/s41928-018-0048-6作者简介:约翰·班宁斯特·古迪纳夫,美国国家工程院院士,2019年诺贝尔化学奖三位得主之一。1922年7月25日出生于德国

本文内容翻译自John B. Goodenough于2018年在学术期刊《Nature Electronics》上发表的文章:“How we made the Li-ion rechargeable battery”。

DOI: 10.1038/s41928-018-0048-6


图片关键词


作者简介:约翰·班宁斯特·古迪纳夫,美国国家工程院院士,2019年诺贝尔化学奖三位得主之一。1922年7月25日出生于德国,1943年在耶鲁大学获得数学系学士学位,1952年在芝加哥大学获得物理学博士学位,1952年到1976年在MIT林肯实验室工作,1976年成为牛津大学教授,1986年起成为德州大学奥斯丁分校教授。因为对钴酸锂、磷酸铁锂等锂离子电池正极材料的发现、研究及应用做出了关键贡献,被公认为“锂离子电池之父”。




如果没有可充电电池,无处不在的便携式电子产品将无法取得如今的发展。


John B.Goodenough讲述了锂离子充电电池的历史。


电池(battery)包含一个或多个电芯(cell)。每个电芯将电能作为化学能存储在负极(anode)和正极(cathode),两个电极以电解质隔开。

图片关键词

可充电锂离子电池的结构

https://doi.org/10.1038/s41928-018-0048-6


两个电极间的化学反应中包括离子和电子的传递。电解质将离子输送到电芯内部,并促使电子通过外部电路。在充电电池中,化学反应是可逆的。


20世纪60年代,欧洲的化学家们正研究将锂可逆插入层状过渡金属硫化中的化学反应。那时的可充电电池使用强酸(如H2SO4)或强碱(如KOH)的水溶液为电解质,以使得氢离子(H+)能够快速扩散。


当时最稳定的电芯采用碱性水系电解质,层状羟基氧化镍(NiOOH)为正极,H+能可逆地插入NiOOH中形成氢氧化镍Ni(OH)2(译者注:此类电池即为大家熟知的镍氢电池)。然而水系电解质限制了电芯的电压,因此限制了电池可提供的电力密度(the density of electric power)。 


1967年,福特汽车公司(FordMotor Company)的Joseph Kuumer和Neill Weber在300℃以上的高温下,发现固态陶瓷电解质中,钠离子(Na+)能够快速扩散。


他们发明了一种钠硫可充电电池,使用固态陶瓷为电解质,熔融的Na为负极,熔融的含S碳毡为正极。


尽管在商业上,高于300℃的电池工作温度不切实际,但Kuumer和Weber的这项发明刺激了对固态电解质和其他替代电池策略的研究。


那个时候,我在麻省理工学院的林肯实验室工作,研究过渡金属氧化物,并被要求关注采用固态电解质的电池的发展。这项任务让我进入了电化学领域,并挑战开发性能更好的氧化物钠离子导体。


作为回应,我与Henry Hong一起开发了一种具有骨架结构,并支持快速钠离子传导的固态电解质Na1+xZr2SixP3-xO12。在1976年我离开牛津大学后,这类固态电解质被同事们称为钠超离子导体NASICON(NA SuperIonic CONductor)。


20世纪70年年代初发生的石油危机,暴露了美国社会依赖石油进口所带来的弊端,并随后促使人们研究如何使用太阳能和风能来提供电力。


然而,作为间歇性的可再生能源,太阳能和风能的储存很重要,而这需要更好的可充电电池。


当时已经有以金属锂为负极,有机液态电解质的原电池,因此下一步是使用欧洲化学家发现的,锂离子可逆地插入过渡金属层状硫化物正极的化学反应(即锂离子的嵌入/脱出)来创建可充电电池。


埃克森美孚公司(Exxon Mobil Corporation)聘请Stanley Whittingham来生产这种可充电电池。该电池使用层状TiS2为正极,在充电时Li+插入其中形成LiTiS2。


1976年,Whittingham报告了这种电池良好的初始表现。然而,在重复充电后,锂金属负极开始生长出锂枝晶,这种锂枝晶会穿过电解质连接到正极,引起内部短路,这将引起电解质的燃烧。因为缺乏足够的安全性,这项电池制造计划在几年后被放弃。


大约在同一时期,我在牛津大学的研究小组,正在研究在锂脱出的过程中,正极材料的结构发生改变之前,从钴酸锂(LiCoO2)和镍酸锂(LiNiO2)中能脱出多少锂。


我曾经推断可以在放电和充电状态下制造可充电电池。我们能够证明,使用这些正极材料能使超过一半的锂可逆地嵌入与脱出。


这促使当时在日本旭化成公司的Akira Yoshino,将LiCoO2正极与石墨负极结合,发明了第一个锂离子可充电电池。索尼公司便是使用Yoshino发明的锂电池为第一部移动电话提供电能。


为了降低成本并提高安全性,使用固体电解质替代液态电解质,即全固体锂电池成为电池研究的未来发展方向。实际上,目前正在开发的固态电池,包括具有NASICON电解质的钠电池。


2015年,波尔图大学的MariaHelena Braga为我带来了一种非凡的介电无定形氧化物固体电解质。它具有与当今锂离子电池中使用的有机液体电解质相当的锂和钠离子电导率。


在1986年搬到德克萨斯大学奥斯汀分校,我们使用这种独特的固体来开发全固态可充电电池,能够在可接受的充电和放电速率下,在长循环寿命内以良好的接触方式铺设无树枝状的碱金属负极。


这些研究进展表明,全固态电池可能很快用于为电动汽车提供动力,使其能够与以使用化石燃料的内燃机为动力来源的汽车一较高下。


END


译者简介:李云哲,本科毕业于北京化工大学化学工程与工艺专业,硕士毕业于中国日用化学工业研究院工业催化专业,曾在工信部赛迪研究院实习,现就职于上海嘉定育成中心,担任项目经理,从事材料、化学、能源、环保等领域的科技企业孵化、技术成果转化等工作。


网站首页
申请入驻
在线地图
邮件咨询