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电子能源-第一辆搭载了锂离子电池的电动汽车

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儘管將包括鉛酸、鎳氫等在內的各式各樣的電池換了個遍,但電動汽車始終無法在性能上與燃油車抗衡,首要原因就是電池的能量密度過低。

而取得這樣成績的前提,正是三位老先生的傑出貢獻。

儘管在20世界頭十年,電動汽車的風頭壓過了內燃機和外燃機汽車,但隨着技術的快速發展和生產方式的變革,以福特T型車為代表的內燃機汽車價格迅速下降,僅為電動汽車的10%,昂貴的電動汽車隨之告別了市場。

眾所周知,電動汽車的發明早於內燃機汽車。

托馬斯·愛迪生在1901年甚至使用鎳鐵電池製造出了續航達到340.1公里的電動車。不愧是發明大王,在百年前就能做出續航里程超300的電動車,嗯,新能源汽車果然一點都不新。

翻書找元素周期表,鉛(Pb)在第6排,鎳(Ni)在第4排,分別有5層和4層的內層電子,電子轉移數/原子量數值太低,直接限制了其能量密度的上限。

早在1834年, 托馬斯·達文波特在美國製造出一輛由不可充電的乾電池驅動的電動車,跟現在的電動車「電池+電機」的組合相同,這也導致出現了所謂「新能源不新」的說法。它的行駛速度沒有超過6KM/H,也就是說,你只要走得快一點,它就追不上你。

在一籌莫展之際,邁克爾·斯坦利·惠廷漢姆(M. Stanley Whittingham)創造性地提出了讓電池中不存在金屬鋰的思路:以特殊的層狀材料作為宿主(hosts),讓鋰離子(Li+)作為客人(guests)可以較為隨意地嵌入(Intercalation)或脫出,而基本不影響宿主的物質結構。

「負債多年」的諾貝爾獎,今年終於把欠「足夠好」先生債務給還清了。

2019年諾貝爾化學獎頒發給3位科學家,分別為美國科學家約翰·古迪納夫(John B. Goodenough)、英國科學家斯坦利·維丁漢姆(Stanley Whittingham)以及日本科學家吉野彰(Akira Yoshino),以表彰他們在鋰離子電池方面的研究成果。

但鋰過於活潑,極易與電解質發生反應,直到1958年才由美國加州大學伯克利分校的威廉·西德尼·哈里斯(William Sidney Harris)找到了兩種候選的電解液——碳酸乙烯酯(EC)和碳酸丙烯酯(PC),這才使鋰電池成為可能。

在追趕的道路上,傳統領域困難重重,於是中國汽車從業者們將眼光投向了新能源賽道。

直到現在,幾乎所有的消費電子產品,正極使用的都是鈷酸鋰材料。

電池中金屬鋰的消失,讓可充放的鋰離子電池真正成為可能。惠廷漢姆之後有了一個響亮的名號:「可充電鋰離子電池的創始之父」。

中學化學告訴我們,元素原子一般只會得到或失去最外層的電子,內層電子都只是「堅強後盾」,只會精神支持;電子很輕,但為了達到電荷平衡的質子很重,只喊口號的內層電子配上的質子的重量就顯得很多餘了。

但如何提升能量密度的問題還沒有答案。負極的問題解決后,尋找合適的正極材料,讓鋰離子電池擁有足夠高的能量密度成為了重點。

電池的能量密度取得了突破性的進展,電動汽車終於看到了挑戰燃油車的希望。

如何在短時間內快速縮短自主品牌與國外百年老店的差距,建立起中國自主的汽車工業體系,成為了一個急需回答的問題。汽車產業作為民用工業的集大成者,對於整個國家的工業基礎有着極高的要求,尤其是汽車的核心——發動機。

「十五」863計劃電動汽車重大專項、「十一五」863計劃節能與新能源汽車重大專項,可以說,中國汽車的新能源化與汽車自主品牌是同時起步。在對各種技術方向進行了考量,並結合了中國的具體情況,最終決定優先發展純電動汽車。而中國電動汽車在起步階段,選擇的也正是John B. Goodenough老先生的磷酸鐵鋰電池。

基於鋰離子電池建立起來的中國新能源汽車市場成為了世界最大的新能源汽車市場,自主品牌新能源汽車全球銷量佔比達到了50%。在新能源汽車賽道上,中國汽車產業實現了階段性的成功。

按照電子轉移數多、原子量小的邏輯,直接往左上角找,答案就是最輕的金屬—鋰(Li)。

早期的鋰電池負極通常是鋰單質,其反應方程式就是:

百年之間,純電動汽車雖然數次復興,但始終難以撼動燃油車的根基。純電動車總是像流星一樣,一次又一次地在歷史的天空一閃而過。

作為一個汽車從業者,尤其是中國的汽車從業者,必須對這三位老先生致以崇高的敬意。正是他們創造的可充電的世界,讓電動汽車成為了可能,也讓中國汽車產業擁有了「彎道超車」的機會。

至此,純電動汽車終於擁有了與燃油車相提並論的資格。

第一輛搭載了鋰離子電池的電動汽車,正是特斯拉的roadster,一輛搭載了鈷酸鋰離子電池,百公里加速時間為3.7秒,最大續航里程約393公里的超級電動車。對比起使用鉛酸電池(一代)和鎳氫電池(二代),只有144公里續航的通用EV1,搭載了鋰離子電池的特斯拉roadster無愧跨時代的產品。

2000年10月,《中共中央關於制定國民經濟和社會發展第十個五年計劃的建議》首次闡明要大力振興汽車製造業,第一次提出要鼓勵轎車進入家庭。此後,中國自主品牌汽車才開始迅速發展起來。

電池反應可以簡單的理解為氧化還原反應。以鉛酸電池為例,其充放電過程實際上是鉛元素得到與失去電子的過程。

為什麼廣泛應用的鉛酸電池與鎳氫電池能量密度低?

鋰離子在負極形成鋰時,當熱不會乖乖的整齊排列,而是東一下西一下到處亂闖,從而形成「枝晶」。即便是數十年後的今天,鋰枝晶仍舊是整個鋰電行業人士的噩夢,當時的技術條件下,鋰電池的壽命與安全情況可想而知。

在1881年,法國工程師古斯塔夫.特魯夫以以鉛酸電池為動力,打造了一輛可充電的三輪電動車。這款車僅重160公斤,最高時速可達12km/h,勉強能夠跟騎共享單車的你並駕齊驅。

這次則由約翰·班尼斯特·古迪納夫(John Bannister Goodenough),傳奇的「足夠好」先生,擔任了英雄的角色。他的三次飛躍式突破徹底讓鋰離子電池迎來曙光,鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰均出自這位大師之手。

商業化的終點前,所有的問題只剩下了負極材料的確定。最終是吉野彰博士利用了聚乙烯作為負極,最終製造出了第一個商業化的可充電鋰離子電池。

提到中國汽車產業,國人總是怒其不爭,市場換技術換了幾十年,什麼都沒有換到,汽車產業依然處於落後的狀態。其實中國自主品牌的建立,也僅僅是十幾年前的事情。

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