投资诺贝尔奖成果：为世界提供动力的锂离子电池

诺贝尔奖历史

诺贝尔奖是科学界最负盛名的奖项。它是根据 阿尔弗雷德-诺贝尔先生的遗嘱 颁奖"授予上一年度为人类带来最大利益者"物理、化学、生理学或医学、文学与和平奖。后来，瑞典中央银行又为经济科学设立了第六个奖项。

将该奖项授予谁的决定权属于瑞典的多个学术机构。

对遗产的关注

阿尔弗雷德-诺贝尔是在读了自己的讣告后才决定设立诺贝尔奖的，因为一家法国报纸误解了他兄弟去世的消息。这篇题为 "死亡商人已死 "的法国文章抨击诺贝尔发明了无烟炸药，其中最著名的就是炸药。

他的发明对现代战争的形成产生了巨大影响，诺贝尔购买了一家大型钢铁厂，将其转变为一家主要的军备制造商。诺贝尔最初是一位化学家、工程师和发明家，他意识到，他不希望自己的遗产成为一个因战争和他人的死亡而发家致富的人的遗产。

诺贝尔奖

如今，诺贝尔的财富被存放在一个基金中，用于投资创收，为诺贝尔基金会和镀金的绿金奖、证书以及 1100 万瑞典克朗（约合 $1M）的奖金提供资金。

资料来源 大英百科全书

诺贝尔奖奖金通常由几位获奖者分享，特别是在一些科学领域，通常会有两三位领军人物共同或同时为一项突破性发现做出贡献。

多年来，诺贝尔奖已成为 "科学奖"，它试图在理论发现和非常实用的发现之间取得平衡。它奖励的成就为现代世界奠定了基础，例如 放射性, 抗生素, X 射线或 PCR以及基础科学，如 太阳能源，"...... 电子电荷, 原子结构或 超流体.

为它们供电的电池

如今，电气化似乎已成为一种不可阻挡的趋势，从电动汽车到热泵，电气化正在接管我们的能源系统并取代化石燃料。如果没有比以前基于金属和酸的设计更强大的电池的出现，这一切都不可能实现。

一般来说，电池的工作原理是储存电能并将其释放出来。虽然有些电池是一次性使用的，但更有用的电池是可充电的。在很长一段时间里，19 世纪中期发明的铅酸电池因其低成本和坚固耐用而成为充电电池的主流。

资料来源 电气 4 U

最简单来说，铅酸蓄电池的功能是在充电时将硫离子从酸转移到铅原子上，并在放电时恢复这一反应。

资料来源 光伏教育

这种设计一直是电池的主流形式，但也受到一些问题的限制：

• 重量级
• 腐蚀性材料。
• 电池寿命相对较短，只有几百到一千次循环。
• 长期自放电。
• 能量储存/能量密度有限。

所有这些限制因素使得铅酸电池成为低功率应用的理想选择，如操作汽油车的火花和收音机。但是，从电子设备到替代化石燃料等任何要求更高的应用，都无法使用这种电池。

这种情况的改变要归功于 3 位不同研究人员的共同努力、 约翰-B-古德诺, M.斯坦利-惠廷汉姆和 吉野明.他们共同获得了 2019 年诺贝尔化学奖，以表彰他们在创造锂离子电池方面做出的贡献。

资料来源 诺贝尔奖

如今，锂离子电池已从为电脑、智能手机和备用蓄电池供电，发展到为电动汽车、电网供电，甚至很快将为飞机供电。

锂独特的电特性

锂是瑞典化学家于 1817 年首次发现的。它是最轻的固体元素，原子序数为 3（原子核中只有 3 个质子）。

资料来源 中型

锂原子体积小，这意味着它们的外层电荷只有一个电子，当这个电子移动到另一个原子上时，每个原子就会产生巨大的电势变化。

虽然这种极端的反应性非常适合用于电池，但也带来了一定的危险。 由于这种元素的高反应性，纯锂金属在与水或空气接触时有可能自燃。这有点类似于金属钠或镁。

大多数电池的功能都围绕着一个负极和一个正极的基本概念，它们由液态电解质连接在一起。

资料来源 诺贝尔奖

锂的极端反应性意味着电解质不能以水为基础。20 世纪 60 年代，为了找到惰性、熔点、氧化还原稳定性、锂离子和锂盐的溶解度、离子/电子转移率、粘度等方面的最佳组合，人们设计了几种使用有机（碳基）分子代替的电解质。

资料来源 诺贝尔奖

锂离子电池的最初设计使用金属锂作为阳极，碳酸盐化合物作为电解质。但是，寻找合适的阴极材料却是一个更大的挑战。

大石油创造锂电池

现代锂离子电池是由 "大石油 "埃克森研究与工程公司开发的，它最终将危及内燃机汽车。

20 世纪 70 年代，石油公司非常重视 "石油峰值 "或石油储备枯竭的威胁。为了确保公司在能源领域的持续存在，埃克森公司聘请了该领域的一些顶尖科学家。埃克森公司为他们提供了丰厚的研究预算，并给予他们难得的自由，让他们可以独立研究自己认为最有前途的想法。

其中包括 斯坦利-惠廷汉姆他是斯坦福大学研究 "插层 "的专家。插层是指材料中原子大小的孔与离子结合的现象。

夹层是制造锂离子电池阴极的理想材料，可在间隙中保持锂离子。

然而，这需要大量的研究工作，因为阴极还需要符合一长串的规格要求：

• 不溶于电解质
• 无电解质夹层。
• 互锁必须是可逆的。
• 充电和放电时结构变化最小。
• 可在环境温度和压力下运行。

Whittingham 曾考虑过二硫化钛 (TiS2)，但由于钽的重量较重，最终选择了钛。

资料来源 诺贝尔奖

为了提高性能，他们找到了一种方法，即使用与聚四氟乙烯混合的 TiS2 粉末，将其附着在钢支架上，周围再覆盖一层聚丙烯薄膜和锂金属。

树突问题

潜在的锂离子电池仍然存在一个问题。在多次充放电过程中，锂会形成树枝状结构。

资料来源 诺贝尔奖

当树枝状突起突破分隔电池两部分的绝缘体时，就会形成一条捷径。这个问题阻碍了商用锂离子电池的发展。

当它们到达另一个电极时，电池就会短路，从而导致爆炸。

消防队不得不扑灭多处火灾，最后还威胁要实验室支付用于扑灭锂火的特殊化学品的费用。

通过在锂阳极中添加铝，树枝状石变得更容易处理，从而创造出第一块商用锂离子电池，并于 1976 年用于手表。

与此同时，在 20 世纪 70 年代滞胀时期飙升的石油价格回落。新的石油矿藏也被发现，减少了人们对石油峰值的恐惧。这也减少了埃克森公司的收入和利润，迫使该公司削减基础研究，并将新发明的电池授权给其他公司使用。

更好的阴极材料

斯坦利-惠廷汉姆（Stanley Whittingham）创造了一种可行的阴极，他是下一位诺贝尔奖获得者、 约翰-古德诺这将提高其电动潜能，从而提升电池的性能。

古德诺是一位物理学家和数学家，曾在麻省理工学院参与发明随机存取存储器（RAM）。之后，他来到牛津大学从事能源系统，特别是电池的研究。

在研究新发明的锂离子电池时，他意识到金属氧化物比惠廷汉姆的金属硫化物效果更好。经过系统搜索，他发现锂钴氧化物设计在 4V 电压下的电动势是之前设计的两倍，并于 1980 年发表了他的发现。

资料来源 诺贝尔奖

这种以钴为基础的设计一直是锂离子电池的主要特征，直到最近十年，锂电池的无钴替代化学工艺才开始出现。正如我们在文章" "中讨论的那样，这一过程仍在继续。设计更好的电池--淘汰钴，采用......TAQ？".

锂研究的新家园

在西方国家，20 世纪 80 年代石油价格的大幅下跌减少了对替代能源解决方案的需求。然而，在日本，便携式小型消费电子产品成为一个蓬勃发展的产业。它需要不断增加的电源，同时还需要持久耐用、重量轻、体积小的电源，以便装入随身听、相机、电脑、无绳电话等。

旭化成公司的吉野明很早就意识到，电池是关键的缺失环节，工业需要电池。

就能量密度而言，锂离子电池是一个很好的选择，而且现在古德诺的钴基设计为锂离子电池提供了一个很好的阴极。然而，锂金属阳极及其危险树枝状突起的问题依然存在。

吉野对含有纯锂的电池进行了测试，结果表明，重物掉落在电池上等测试会产生强烈的爆炸。对于大型电池来说，这种危险性太大，无法通过消费者保护法，而且无论如何都会成为一场蓄势待发的公共关系灾难。

从阳极移除锂

石墨，或像铅笔尖一样的纯碳，因其相对于 Li+/Li 的低电势，一直被认为是金属锂负极的潜在替代品。问题是，石墨会损坏并剥落到有机电解液中。

吉野明获得诺贝尔奖的关键见解是使用石油焦代替石墨。焦炭是石油工业的副产品，事实证明，某些质量等级的产品在形成锂离子电池所需的条件下是稳定的。

吉野还测出，具有适当结晶度的焦炭阳极可以容纳和释放大量锂离子。这种设计更加安全，为大型锂离子电池的商业化开辟了道路。

吉野接着用他新开发的焦炭阳极和古德诺的氧化钴阴极制造了这种电池。

1991 年，在古德诺发现锂离子电池 11 年后，在惠廷汉姆首次将锂离子电池商业化 15 年后，索尼和旭化成将锂离子电池商业化。

资料来源 诺贝尔奖

锂离子电池的传统和持续相关性

吉野的焦炭/氧化钴锂离子电池很快进入了现代世界的所有电子设备。它们与计算和电子技术的进步共同发展，相继创造出笔记本电脑、MP3 播放器、智能手机、掌上游戏机和平板电脑，在我们的生活中无处不在。

随着电动汽车的出现，锂离子电池将经历一场新的革命。最初，特斯拉和比亚迪等中国汽车制造商（比亚迪是一家电池公司，后来成为全球最大的电动汽车制造商，更多关于比亚迪的信息请参阅文章末尾）推动了电动汽车的发展。

由于一辆电动汽车消耗的电池量相当于数百部智能手机或电脑，这一市场变化导致锂离子电池需求激增，使 2015 年之前的市场相形见绌。

资料来源 统计

电气化革命正在如火如荼地进行、 即使传统汽车制造商和较小的初创企业正在努力实现转型目前，中国汽车制造商在电动汽车技术方面咄咄逼人，占据了先机。

锂离子电池甚至在稳定日益依赖间歇性可再生能源的电网方面也大有作为。然而，锂离子电池可能并不是最佳的化学材料，正如我们在" "中讨论的那样。未来的储能技术--公用事业级电池技术".

电池技术不断进步

电动汽车对锂离子电池的爆炸性需求带来的一个问题是，它也导致了对其中金属的爆炸性需求。

这导致了锂价格的剧烈波动，锂矿业经历了生产不足和生产过剩的快速周期。

资料来源 碳信用额

其他金属，如钴，可能问题更大，因为它们的大规模生产与童工、奴工和其他侵犯人权的行为有关。

因此，早在 1996 年，约翰-古德诺（John Goodenough）就发现磷酸铁锂（LFP）是一种不含钴（"LiFePO4：可充电电池的新型正极材料"）的替代品。

事实证明，尽管锂离子电池的能量密度较低，但它是传统锂离子电池的一种更可持续、更廉价的替代品。 到 2022 年，LFP 电池占电动汽车电池市场的 31%.它们也常用于家庭储能。

其他替代品正在进入市场，特别是钠离子电池（完全不使用锂，而是使用更便宜的盐）和固态电池。

资料来源 自然

您可以在" "中阅读以移动为导向的电池技术概览。未来的交通 - 电池技术".

其中包括玻璃电池，这是古德诺博士在 2023 年去世前研究的最后一种电池概念，他曾提出过以下惊人的主张 能量密度是传统锂离子电池的两倍，可充电 23,000 次，充电时间仅为几分钟.

投资于 电池技术

锂离子电池已经多次改变了世界，从让人们可以随身携带先进的电子产品，到只用电力驱动汽车。当达到足够高的能量密度时，锂离子电池或其他类型的电池就可以实现 100% 可再生能源电网或飞机电气化，从而再次改变世界。

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如果您对挑选特定的电池公司不感兴趣，也可以关注生物技术 ETF，如 Amplify 锂与电池技术 ETF (BATT)全球 X 锂与电池技术 ETF (LIT)或 智慧树电池解决方案 UCITS ETF这将提供更多样化的投资机会，以利用不断增长的电池行业。

电池 公司

1. CATL (300750.SZ)

CATL 是全球领先的电池生产商，电池产量占全球总量的一半以上。

公司涉足电池制造供应链的每一个环节，是电池技术领域的领导者。

在锂离子电池领域，该公司长期以来一直处于领先地位。

CATL 还宣布在其他多种电池类型方面取得了令人瞩目的进展：

• 用于公用事业级能源存储的 12,000 次循环超长寿命电池，长期目标为 18,000 次循环。
• 700 公里 LFP（磷酸铁锂）电池可在 10 分钟内充电 400 公里。
• 500 Wh/kg，有可能实现客机电气化.
• 量产 160 瓦时/千克的钠离子电池，目标是 200 瓦时/千克。

资料来源 CATL

最近，该公司宣布已基本解决了以金属锂为阳极形成树枝状突起的问题，这要归功于一种阻止树枝状突起形成的三维结构。

随着 TENER 系统性能的公布，该公司开始活跃于公用事业级电池市场。这是"世界上首个可大规模生产的储能系统，该系统在中国北京使用的前五年中零衰减."

紧凑空间中的巨大能量：20 英尺集装箱，6.25 兆瓦时容量。

凭借尖端技术和强大的制造能力，CATL 解决了零降解电池中高活性锂金属带来的挑战，有效防止了氧化反应导致的热失控。

CATL 还在中国投资 32.5 亿美元建设电池回收能力.CATL 的回收率达到了显著的 镍、钴、锰为 99.6%，锂为 91%.

凭借其规模、专注度和研发成果，CATL 有可能成为电池创新、制造和回收领域的领军企业。这使它成为特斯拉、NIO、福特、Stellantis 等电动汽车制造商的重要合作伙伴。

2. 比亚迪 (BYDDY)

作为特斯拉在电动汽车市场上的长期挑战者，比亚迪不仅是特斯拉的有力竞争者，也是几乎所有汽车制造商的有力竞争者。

公司从最初的锂离子手机电池供应商发展而来 在中国（全球最大的电动汽车市场），电动汽车的销量几乎与特斯拉相当；在泰国、瑞典、澳大利亚、新西兰、新加坡、以色列和巴西，特斯拉也是最畅销的电动汽车。

中国之所以能在 2023 年突然超越日本，成为全球最大的汽车出口国，比亚迪功不可没。该公司积极的海外扩张也以新工厂为载体、 如在匈牙利.

随着像 Seagul 这样使用钠电池的 $10,000-$12,000 型汽车的推出，比亚迪电动车可能会打开一个全新的市场。

资料来源 作者：User3204 - 自己的作品，CC BY-SA 4.0、

比亚迪的核心业务仍是电池生产，在磷酸铁锂电池市场上，比亚迪是 CATL 的有力挑战者，在中国的市场份额为 41.1%（CATL 为 33.9%）。

比亚迪生产的廉价电动车 "涌入 "欧美市场，很可能会遭遇某种程度的保护主义（甚至高于最近征收的关税），这可能会阻碍比亚迪的发展。

但与此同时，廉价的中国电动汽车已经在世界其他地区取得了巨大成功，而这些地区的国内汽车制造商并没有太多的现任者需要保护，其中包括整个南美洲、俄罗斯、非洲、中东和东南亚。

这对比亚迪来说意味着数十亿的潜在客户，他们所居住的国家都渴望达成地缘政治平衡，与西方和中国保持良好关系，因此不太可能制造太强的保护主义壁垒。

即使在欧盟或美国，比亚迪也可能保持竞争力，这要归功于当地电动汽车制造商的价格远高于中国的价格，以及针对这些市场（如东欧、墨西哥或土耳其）的中国本土化生产。