2019 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予 Goodenough 等鋰電池開拓者北京時(shí)間 10 月 9 日下午 5 點(diǎn) 45 分，瑞典皇家科學(xué)院宣布將 2019 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予美國(guó)德州大學(xué)奧斯汀分校的 John B. Goodenough 教授，紐約州立大學(xué) Binghamton 分校的 M. Stanley Whittingham 教授，以及日本旭化成公司化學(xué)家 Akira Yoshino，以表彰其在鋰電池研究開發(fā)的卓越貢獻(xiàn)。97 歲的 Goodenough 成為史上最年長(zhǎng)的諾獎(jiǎng)得主。

John B Goodenough，美國(guó)德州大學(xué)奧斯汀分校機(jī)械工程系教授，鋰電池之父，美國(guó)科學(xué)院和工程院兩院院士，曾獲 2001 年 Japan Prize，2009 年 Fermi Award，2011年美國(guó)國(guó)家科學(xué)獎(jiǎng)?wù)潞?2014 年 Charles Stark Draper Prize。

Goodenough 1922 年 7 月 25 日出生，二戰(zhàn)老兵，本科畢業(yè)于耶魯大學(xué)數(shù)學(xué)系，芝加哥大學(xué)物理博士，楊振寧先生的同學(xué)。 M. Stanley Whittingham，紐約州立大學(xué) Binghamton 分?；瘜W(xué)和材料科學(xué)與工程教授，鋰電池研究先驅(qū)。

Whittingham 1941 年出生，本科、碩士和博士均畢業(yè)于牛津大學(xué)。加入 Binghamton 之前，長(zhǎng)期在石油公司 Exxon 工作，從事電池研發(fā)。吉野彰 (Akira Yoshino)，1948 年生于日本。

1972 年吉野彰畢業(yè)于京都大學(xué)大學(xué)院工學(xué)研究專業(yè)。智能手機(jī)和電動(dòng)汽車使用的鋰離子電池的開發(fā)者、旭化成公司研究員，旭化成株式會(huì)社吉野研究室室長(zhǎng)，京都大學(xué)大學(xué)院工學(xué)研究專業(yè)特命教授。鋰電池是繼 LED 后又一個(gè)對(duì)人類文明作出突出貢獻(xiàn)并使其研究開拓者獲得諾貝爾獎(jiǎng)的工業(yè)產(chǎn)品，是截至目前移動(dòng)供電的最佳物質(zhì)載體，催生/優(yōu)化了新能源汽車、筆記本電腦、功能/智能手機(jī)、電動(dòng)工具、無(wú)人機(jī)等多個(gè)行業(yè)，是一系列里程碑式應(yīng)用創(chuàng)新的底層支持者。

圖表1： 鋰電池基本組成


道阻且長(zhǎng)，鋰電池研究半世紀(jì)不言放棄自上世紀(jì)下半葉以來(lái)，鋰離子電池的主要組成部分正極、負(fù)極、電解液、隔膜持續(xù)取得技術(shù)突破。

商業(yè)化的鋰離子電池以石墨或硅碳復(fù)合材料為負(fù)極，以含鋰的化合物如鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳酸鋰(三元材料)、磷酸鐵鋰等作正極，以有機(jī)溶劑溶解鋰鹽并摻雜不同類型添加劑形成耐正極氧化、耐負(fù)極還原的電解液作為鋰離子傳輸介質(zhì)，以多孔的聚乙烯、聚丙烯薄膜本身或輔以涂覆改性手段物理隔離正負(fù)極、絕緣電子而又允許鋰離子通過(guò)。鋰離子在正負(fù)極材料中嵌入、脫嵌從而實(shí)現(xiàn)充放電過(guò)程;在鋰離子嵌入或脫嵌的過(guò)程中，會(huì)同時(shí)伴隨與鋰離子等物質(zhì)的量的電子通過(guò)外電路在正負(fù)極傳導(dǎo)，由此完成閉路循環(huán)，并實(shí)現(xiàn)電池充電或?qū)ν怆娐纷龉Φ男Ч?br />
另外，富鋰材料、硫、氧氣等強(qiáng)氧化劑，鋰金屬/合金等強(qiáng)還原劑，聚合物、氧化物、硫化物等固體電解質(zhì)及多種鋰鹽等分別/耦合成為新型鋰離子電池的關(guān)鍵組元。在下一代電池(廣義涵蓋富鋰錳基電池、鋰硫電池、鋰空氣電池、鋁等其他金屬空氣電池等)中，以鋰離子為載流子的各種新型鋰離子電池仍然占據(jù)著主要的研究方向。

圖表2： 鋰離子電池關(guān)鍵材料發(fā)明時(shí)間段

自 1990 年索尼推出商用的高安全性鈷酸鋰-石墨電池至今，以單體能量密度(比能量)提升情況作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，鋰離子電池技術(shù)的進(jìn)步幅度約為每年 3%。但和其他二次電池技術(shù)相比，鋰離子電池體現(xiàn)了更快的進(jìn)步幅度，超過(guò)鉛酸、鎳鎘、鎳氫等電池。鋰離子電池也體現(xiàn)了更好的倍率、循環(huán)性能，且成本下降幅度較快，同性能安全性也在持續(xù)改進(jìn)。

圖表3： 二次電池技術(shù)進(jìn)展(以能量密度提升計(jì))


圖表4： 鋰離子電池技術(shù)進(jìn)展(以能量密度提升計(jì))

鋰電助力，新能源汽車產(chǎn)品力持續(xù)提升

純電動(dòng)/插電混動(dòng)汽車是新能源汽車的主要組成部分，鋰離子電池技術(shù)的進(jìn)步直接驅(qū)動(dòng)了優(yōu)質(zhì)新能源汽車產(chǎn)品的誕生，關(guān)鍵的評(píng)價(jià)指標(biāo)是工況續(xù)航里程。以純電動(dòng)乘用車為例，問(wèn)世于 2008 年，采用鈷酸鋰-石墨電池的特斯拉 roadster 1 代證實(shí)了電動(dòng)車的較高動(dòng)力性。近 10 年后，采用鎳鈷鋁-硅碳電池的特斯拉 Model 3 證實(shí)了高性能電動(dòng)車的可量產(chǎn)性和用戶接受度。

我國(guó)新能源汽車也有較多優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。比亞迪、上汽、廣汽等等自主品牌都推出了有技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力的車型，具備超過(guò) 400km 的工況續(xù)航，且輔之以較低的百公里電耗、較高的功率/扭矩，具備較高的電池系統(tǒng)能量密度。比亞迪、廣汽等車企還向國(guó)際汽車龍頭豐田輸出新能源汽車相關(guān)技術(shù);北汽新能源 EX3 通過(guò)多重碰撞測(cè)試。另外，我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈也有相當(dāng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

圖表7： 國(guó)內(nèi)外典型純電動(dòng)乘用車技術(shù)指標(biāo)


行而將至，由鋰電諾獎(jiǎng)看新能源汽車征程

Goodenough 教授以 97 歲高齡見(jiàn)證鋰離子電池的半個(gè)世紀(jì)發(fā)展歷程并獲諾貝爾獎(jiǎng)，充分說(shuō)明了技術(shù)進(jìn)步對(duì)時(shí)間可能存在的高需求。鋰電池誕生初期，鋰金屬-液體電解質(zhì)體系危險(xiǎn)性極高，幾乎導(dǎo)致電池技術(shù)路線夭折，但(立足于鋰離子本征優(yōu)勢(shì)的)持續(xù)研發(fā)使得其后來(lái)居上，成為最廣泛應(yīng)用的二次電池;對(duì)新能源汽車而言，其(配合高效燃煤機(jī)組/可再生能源電力的)節(jié)能減排作用已較顯著，相比于燃油車型的主要不足在于續(xù)航、快充難兼顧，成本仍偏高，有效使用壽命偏低，安全性仍有問(wèn)題待解決。我們認(rèn)為，新能源汽車雖然在系統(tǒng)能量密度方面不及燃油車型，但具備電驅(qū)、電控、電力系統(tǒng)的本征優(yōu)勢(shì)，具備和智能駕駛更好協(xié)同的潛力。續(xù)航里程、充電便捷性可以通過(guò)技術(shù)研發(fā)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和用戶習(xí)慣培養(yǎng)加以相當(dāng)程度解決;成本可以通過(guò)提高直通率、規(guī)模效應(yīng)和優(yōu)化電池包帶電量等方式加以相當(dāng)程度解決;使用壽命也可以通過(guò)電池材料、單體、系統(tǒng)集成等多方面的研發(fā)加以相當(dāng)程度解決;安全性問(wèn)題可以在科學(xué)、技術(shù)、工程等多角度著手，從電池材料、單體、系統(tǒng)集成、整車設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)回溯與整車使用優(yōu)化等方面持續(xù)發(fā)力加以相當(dāng)程度解決。我們中性預(yù)期純電動(dòng)乘用車有望在 2025 年附近實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油乘用車的全生命周期成本優(yōu)勢(shì)，且產(chǎn)品力進(jìn)一步提升;插混乘用車平價(jià)時(shí)間點(diǎn)可能更早;對(duì)電價(jià)較低、油價(jià)較高的國(guó)家或地區(qū)而言，營(yíng)運(yùn)車型相比于家用車型的平價(jià)時(shí)間點(diǎn)更早。 圖表8： 汽車產(chǎn)業(yè)全面電動(dòng)化驅(qū)動(dòng)力
當(dāng)前，以中國(guó)、歐洲、美國(guó)(加州等區(qū)域)為代表的主要經(jīng)濟(jì)體，大眾、戴姆勒、寶馬、豐田、本田等為代表的主要傳統(tǒng)車企，對(duì)新能源汽車均有宏大的車型、銷量規(guī)劃及平臺(tái)開發(fā)實(shí)踐。大眾 MEB 平臺(tái)的首款車型 ID.3 已發(fā)布;豐田將其新能源汽車銷量 100 萬(wàn)輛目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)時(shí)間自 2030 年提早至 2025 年。特斯拉、中國(guó)主要車企等對(duì)純電動(dòng)轎車/SUV 的開發(fā)也在持續(xù)進(jìn)行。我們認(rèn)為，當(dāng)前補(bǔ)貼退坡對(duì)新能源汽車銷量的影響是暫時(shí)的，高性價(jià)比路權(quán)產(chǎn)品、10-20 萬(wàn)元區(qū)間性能-性價(jià)比兼顧產(chǎn)品、30 萬(wàn)元左右/以上高性能體驗(yàn)產(chǎn)品均有有效的用戶需求。隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步、產(chǎn)品力的提升、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的推進(jìn)和用戶習(xí)慣的培養(yǎng)，以純電動(dòng)技術(shù)路線為代表的新能源汽車具備和燃油汽車分庭抗禮、長(zhǎng)期共存、各具優(yōu)勢(shì)場(chǎng)景的能力。