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儲能鉛酸電池替代品之拙見

鉛酸電池已經使用了相當長的時間，雖然每單位重量的能量密度早已被其他電池超越，給人笨重但又存不了多少電的印象，循環壽命不佳，過放電又容易受損，但是鉛酸電池價格便宜，所以在很多需要儲能的場合，例如太陽能儲能，不斷電系統，通信機房，甚至一些老人代步用電動車，仍可以見到鉛酸電池被大量採用。目前市場上開始出現使用其他種類電池(例如磷酸鋰鐵電池)來取代儲能用鉛酸電池的產品，其有單位體積/重量下具備更高能量密度的優勢，且充放電性能也較優異，逐漸吸引市場關注，在一些可控制範圍內使用這類取代電池，的確可以一掃原本鉛酸電池所具備的缺點。但是天下沒有白吃的午餐，想要完全發揮取代電池的最佳效能，必須針對兩者電池不同的充放電特性/參數，去調整設備，否則會無法釋放取代電池的完整效能。舉常見的不斷電系統來說，其針對鉛酸電池的使用場合，平常使用浮充(Float charge)方式讓電池維持一定的電量，對於每一顆12V的鉛酸電池，其浮充電壓維持在13.6V至13.8V，為一定電壓(CV)充電的特性，若是使用磷酸鋰鐵電池將其取代，雖然其四串組合標稱電壓接近12V鉛酸電池，但充電上採取的是先定電流後定電壓(CC-CV)的充電，且其四串組合充電截止電壓在14.4V，相較於原本鉛酸電池浮充電壓區間，會顯現出充電未能全滿(FULL)的問題，使得無法有效發揮完整能量密度。另外，不斷電系統內控制電路是使用電壓來作為剩餘可用時間參考，對於兩種電池有不同放電平台電壓來說，若是不進行相對應的修改，也同樣會出現剩餘可用時間判讀失準的狀況。

另外還有最重要的一件事，不斷電系統屬於長時間通電，且不一定會隨時有人在旁邊的設備，電子零件存在失效機率的問題，同樣電池也是有這個機率，尤其隨使用時間過去，電池逐漸老化，失效機率也會提高，不斷電系統使用的密封閥控式鉛酸電池，本身內部無液態電解液，負極回收設計也可盡量減少氫氣產生及外洩，即使長久使用的老化，最多就是極板膨脹導致外殼變形或脹裂，較少發生嚴重事故狀況。磷酸鋰鐵電池雖然安全性已經很好，但失效時可能會導致本體洩壓閥動作，排出內部氣體釋放壓力，也可能同時產生高溫，進而造成更明顯的影響，所以目前搭配磷酸鋰鐵電池使用的不斷電系統，大多會在具備監視及滅火設備的場所(例如機房)，使其在發生狀況時，能立即被發現及進行處置，在而不適用在家用環境下

總而言之，為了使取代電池能發揮最佳效能，並更安全的使用，除了針對使用的設備進行最適化設定與調整外，也要評估使用的環境是否適合，方可享受替代電池帶來的好處並降低其影響

報告完畢，謝謝收看

30歲轉行是失敗者？97歲諾獎得主的一生

誰說改變世界的都是年輕人？

今年的諾貝爾化學獎獲得者John B. Goodenough以他的傳奇經歷給出了答案。30歲入行，年過半百才正式研究電池材料，97歲時收穫諾獎，依舊活躍在科研一線。

今天與大家分享他的勵志故事。

來源丨量子位（ID：QbitAI）

97歲，他還奮戰在科研一線。

John B. Goodenough，人稱“足夠好”老爺爺，近日加冕諾貝爾獎。

10月9日，2019年諾貝爾化學獎頒向鋰電池領域。

Goodenough與M. Stanley Whittingham，以及日本科學家吉野彰（Akira Yoshino）共用了這一獎項。

以表彰他們在鋰離子電池領域作出的貢獻。

諾貝爾評獎委員會稱，三人的研究使鋰電池的使用方式更加穩定，從而開啟了電子設備便攜化進程，為打造一個無線互聯的社會奠定基礎。

引用果殼更科普化的解釋，如果沒有他們，我們每天形影不離的手機就是個隨時可能點燃的炸藥包。

而且Goodenough今年加冕，也刷新諾貝爾獎新紀錄——以97歲高齡，成為最年長的諾貝爾獎得主。

在此之外，他還是美國國家工程院、美國國家科學院、法國科學院、西班牙皇家科學院、英國皇家學會會員，撰寫了超過550篇文章、參與85本著作的編寫，是2009年費米獎得主、2017年威爾齊化學獎得主，還獲得了英國皇家學會的科普利獎章。

但這還不是Goodenough令人稱奇、敬佩的全部。

當他獲獎，外界關注他的履歷，才發現其充滿坎坷和跌宕的一生，簡直就是傳奇的一生、榜樣的一生，勵志的一生。

很難想像，這位鋰電池之父患有閱讀障礙症，成長家庭並不和睦，大學歷經二戰，30歲才拿下博士學位，年過半百才正式研究電池材料。

之後一路開掛，58歲發明鈷酸鋰電池改變世界，75歲以磷酸鐵鋰電池再度改變世界，90歲以後開始研究全固態電池。

至今如此高齡，依舊每週上班5天，仍舊有新研究成果問世。

如果你會有“現在做XX是不是太晚”的疑惑，一定要看看Goodenough這傳奇的一生。

┃如何成為鋰電池之父？

我們先從Goodenough如今成名作說起，看看他的科研之路。

Goodenough的博士本身讀的是固態物理，30歲從芝加哥大學博士畢業，之後去了MIT林肯實驗室，研究記憶體的材料物理和固態陶瓷。

24年之後，Goodenough進行了人生第一次“跳槽”。

那年，牛津大學需要一位能教無機化學，同時也能管實驗室的教授。

Goodenough雖然研究的是物理，但他本科的時候為了湊學分學了兩門化學課，就因此意外的被選中了，進入牛津大學任教，並成為無機化學研究負責人。

正是這一次跳槽，讓Goodenough終於在54歲的年紀開始了一項改變世界的研究。

Goodenough在牛津主要研究的課題是可用於能量轉換的新材料。當時他初到英國，英國化學家、和他一起獲得諾獎的Stanley Whittingham發明了最早的可充電鋰電池，借助鋰能嵌入二硫化鈦層間這一特性，用二硫化鈦做正極，用鋰做負極。

當時的消費電子產品只能使用不可充電的碳鋅電池，雖然已經有了可充電的鉛酸電池，但畢竟用在電動車上的鉛酸電池那麼笨重，是沒法拿來做消費電子產品的。

而Whittingham的這項研究，不僅可以靠鋰離子的運動進行充電，還能用在小型設備上，並在室溫下運行，解決了兩種電池的痛點。

但Whittingham的研究是沒法直接用的，因為有一個大bug：安全問題。

正極，二硫化鈦，在空氣中是非常不穩定；

負極，鋰，這種金屬是易燃；

而且，在充放電過程中，鋰會快速沉積產生枝晶，這樣就容易讓電池短路，這也是現在電動車自燃的元兇之一。

所以Whittingham發明的這種電池雖然原理可行，但容易爆炸，是個危險品，完全沒法應用，需要把正負極的材料都換掉才行。

這個時候，學了30年物理的Goodenough有了一個大膽的想法：把鋰換成氧化物吧。

他判斷，氧化物可以讓電池在更高的電壓下進行充電和放電，根據物理學原理，這種電池會產生更多的電量，並且揮發性會更小。

於是他測試了各種氧化物，發現如果把鈷這種元素放進去會比較穩定。

終於，在Goodenough到達牛津的四年後的1980年，57歲的他和水島公一、Philip Jones、Philip Wiseman共同發現了鈷酸鋰這種物質，讓Whittingham的鋰電池變得穩定多了。

在他的實驗室外面，英國皇家化學學會樹立了這塊藍色的牌子，紀念鈷酸鋰的發現。

不過，鈷酸鋰中的鋰和金屬鋰的化合價是不同的，鈷酸鋰在電池裡是一種正極材料，為了湊成一塊電池，還需要找一種負極材料。

這個時候，日本的索尼出現了，他們發現了石墨可以拿來做負極材料。

然而在英國，因為此前發生過爆炸事故，大家聞鋰電池色變，甚至Goodenough工作的牛津都不願意幫忙申請專利，而是讓英國原子能研究機構申請到了這個專利，後來被索尼買走。

於是，索尼成功接下了這個“燙手山芋”，並和自己研發的負極材料放在一起，創造了新的電池，並將之商業化，用在了各種各樣的電子產品中。

而Goodenough，甚至沒有從如今這價值350億美元的鋰電池市場中賺到錢。不過他本人後來在接受c&en採訪的時候反而很淡定：“我當時並不知道它會值這麼多錢。”

雖然在57歲才發現了讓他名聲大噪的鈷酸鋰，但Goodenough似乎就是一個耐久型選手，後來還發現了許多種電池材料：1983年，61歲的他發現錳尖晶石正極材料；1997年，75歲的他發現磷酸鐵鋰正極材料，這些都是電池正極的升級替代品。

甚至，為了持續做研究，他還打了牛津退休政策的擦邊球。

本來，牛津大學要求65歲強制退休的，但Goodenough不想退休，於是他在64歲的時候又跳槽了。

這次，他回到了美國，在德州大學奧斯丁分校當機械工程和材料科學教授，繼續做研究。


┃閱讀障礙症患者，文學少年讀物理PhD

Goodenough出生於1922年，這是一個科學蓬勃發展的時代。

在這一年，法國醫生卡雷爾發現白血球，加拿大科學家班廷製成人造胰島素。

波爾因關於原子結構以及原子輻射的研究獲得諾貝爾獎。

之後，費米、薛定諤等量子物理領域的大佬開始展露鋒芒。

兒時的Goodenough，雖然家就在耶魯附近，不過出生在了一個學文科的家庭，似乎離這些自然科學家們有些距離。

但數十年後，他也將成為他們中的一員。

當時，擺在他面前的，是怎麼克服自己的閱讀障礙症。因為閱讀障礙症，在小學和中學時代，他受到了不少同學的戲弄。

但在求學過程中，他也慢慢從大自然，以及詩歌和宗教哲學中獲得了力量，贏得了學校的獎學金。

1940年，18歲的Goodenough考入了耶魯大學。

對於他來說，這種對家庭的逃離讓他松了口氣，因為他父母關係並不好。

就在考入耶魯大學之前，他的父母離婚了。他父親（歷史教授）很快就與自己的研究助手成婚。

這個環境讓他頗感壓抑，而且他與自己父親的關係並不怎麼好。

他去耶魯讀書的時候，只從家裡拿到了35美元的資助，而耶魯的學費至少每年900美元。

好在他有獎學金，校長還幫忙安排他去給有錢人家的孩子當家教，靠著半工半讀養活自己，他再也沒問家裡要一分錢。

用Goodenough的原話說，就是“每週工作21個小時掙自己的21頓飯。”

進入耶魯之後，Goodenough還是遵循著自己的興趣，先是選了古典文學，後來轉到了哲學，期間還學習過化學。

之後，在一名教授的建議下選擇了數學專業，並堅持了下去。
但這一路也頗為坎坷，就在讀大學的第二年，珍珠港事件爆發了。

Goodenough選擇了主動申請服役，三年後才回到耶魯大學完成了學業。

畢業之後，他再度返回戰場，加入了美國空軍。

本打算和朋友一樣去報海軍陸戰隊，中途被數學老師叫去說“不要當大兵，我們需要懂數學的人做戰爭氣象預報”，於是沒有上前線，而是負責在一個太平洋的海島上收集資料。

1946年，Goodenough迎來了命運的轉折。當時，美國政府出資，選派軍人去深造，獲得了耶魯大學教授推薦的Goodenough就在其列，他可以選擇在芝加哥大學或西北大學學習物理或數學。

經過重重考慮，他決定前往芝加哥大學攻讀物理學博士。

之前就想過考物理研究生，但被管學生註冊的人告知，物理學裡所有厲害的東西，人家在你這個年紀都已經搞完了，你現在才想著開始啊？

最終，他還是考上了芝大物理系，當時是恩裡克·費米在管，據說費米一上來就給新生安排了一個32小時的超級大考試，每天8小時，連考4天。

第一次考掛了，於是又考了第二次才過，總計64小時。

其後師從著名物理學家齊納，他30歲時發明齊納二極體。

在芝加哥這幾年，他主要的研究固態物理學，並打下了堅實的理論基礎，對於自己人生方向也有了新的思考。

在他求學期間，齊納也給他提供了很大的幫助，他曾對Goodenough說：“你有兩個問題，第一個問題是找到問題，第二個問題是解決問題……”

這一理念，對Goodenough產生了很大的影響。

30歲獲得物理學博士學位之後，經過在MIT的工作以及自身的理解，在牛津大學他選定了自己的方向——電池材料，並一直堅持了下去。

┃還能再戰，不想退休等死

直到現在，他還在科研一線繼續解決“問題”。

2018年，Goodenough接受媒體採訪時也談到了自己的問題，他說：

“我想解決汽車的問題，我想讓汽車尾氣從全世界的高速公路上消失。我希望死前能看到這一天，我今年 96 歲，還有時間。”

而且，解決問題並不僅僅只是靠口號。

Goodenough仍舊活躍在科研前線，就在最近，他和自己的團隊還發現了一種用於鈉離子電池的新型安全正極材料。

並仍舊有作品發表，比如這篇：

J.B. Goodenough, Personal journey into solid state chemistry, Journal of Solid State Chemistry 271 (2019) 387–392.
（https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022459618305607 ）

就在幾個月前，他還在採訪中說：

我不想退休等死，我想努力奮鬥，我相信我們正在做的事情是非常重要的。

這些重要的事情有很多，比如他嘗試用自然界中存量更多的鈉代替鋰作為電池材料，以降低電池的成本。

再比如，如何用金屬鋰做正極，製造出更強大的電池。

還有電解質方面，Goodenough也在嘗試用玻璃固態電解質做出更安全的電池。

據說，“足夠好”老先生現在依舊精力充沛，有人在知乎上回答說，整個走廊都能聽到他爽朗的笑聲。

嗯，足夠好，還會更好。

延長汽機車電池使用壽命的方法：

1.定期實施補充充電，尤其是短途行駛及久停車輛

2.定期檢查充電狀態(SOC)及健康狀態(SOH)

3.不可造成電池過度放電，過度放電會導致電池性能及壽命產生不可逆的永久影響

4.注意車輛靜態電流(暗電流)消耗是否異常

5.避免極端溫度下運作及存放

6.隨時注意發電系統狀況，避免發生電池充電不足/充電過度，加裝電壓表是很有效的辦法

7.電池電量過低時應立即充電，不可放置，避免硫酸鉛過度沉積導致充電困難，或自體放電導致過度放電

8.不使用的電池存放前應先充滿電，並定期實施補充充電

9.定期清潔電池(尤其是頂部正負極處)和正負接點樁頭/金屬夾具，避免輕微漏電及接觸不良

10.富液式鉛酸電池，要定期注意電解液面高度是否在其上下限範圍內，不足需實施補充

11.密封式電池，不可自行撬開頂部封蓋進行加水，以免破壞負極吸收及密封性