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dulili4546新蟲 (小有名氣)
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【全球唯一Jeff Dahn資料整理集】香港青頤帶您深度揭秘Tesla的靈感源泉！
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原文章鏈接 https://mp.weixin.qq.com/s/i36HNcCTH5Y33N5sJivXbQ 1、 Jeff Dahn 經(jīng)歷簡述 提起Jeff Dahn其人，大眾可能對這個名字還比較陌生。但是提起Tesla，人們往往都會感慨Tesla的電動車技術(shù)高端、電池系統(tǒng)復雜，合作伙伴的專業(yè)性極強。Jeff Dahn團隊在2016年與Tesla展開戰(zhàn)略合作，為Tesla電池升級的時代“啟下”。與Tesla的合作不是Jeff Dahn在產(chǎn)研結(jié)合方向的首次嘗試，在此之前，Jeff已經(jīng)和3M公司有過20年的深度合作。至今，Jeff Dahn在3M工作期間的專利還在持續(xù)創(chuàng)造大量利潤。Jeff Dahn在研究領(lǐng)域和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域均有大量貢獻，甚至有學者表示“Jeff Dahn是下一任諾貝爾獎的有力競爭者”。 圖1 Jeff Dahn試駕 Tesla Model S Jeff Dahn 于1982年在加拿大的英屬哥倫比亞大學（UBC）取得物理學博士學位。在經(jīng)過3年加拿大國家研究委員會的研究工作后，Jeff在Moli Energy度過了5年的產(chǎn)業(yè)研發(fā)時光。隨后，他在西蒙弗雷澤大學物理學任教，1996年他回到本科母�！_爾豪斯大學擔任教授至今。 在Moli Energy的5年全職研發(fā)經(jīng)歷，讓Jeff Dahn感受到了研究成果工業(yè)化的重要性。自此開始，Jeff一直致力于將高校研究與產(chǎn)業(yè)研發(fā)成果緊密結(jié)合。1990年回歸高校任職的Jeff依然與NEC/MoliEnergy Canada的研發(fā)團隊緊密合作；1996年回到達爾豪斯大學后，Jeff Dahn在3M公司展開了長達20年的任職生涯，擔任電池材料工業(yè)研究主席，為3M公司貢獻了眾多專利，成為3M公司電池領(lǐng)域盈利的主要來源；2016年起，與3M結(jié)束合約的JeffDahn攜手Tesla，擔任Tesla Canada的工業(yè)研究主席。Jeff Dahn團隊長期致力于研究鋰電池能量密度、改善電池壽命和降低電池成本這三大研究方向，和Tesla對動力電池的訴求高度一致。如今，Jeff在技術(shù)端取得的各項突破，對Tesla前沿電池技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用起到了決定性的作用。 圖2 Jeff Dahn 簽約時刻 Jeff Dahn研究成果豐富，在學術(shù)界和鋰電池工業(yè)界都享有盛名。在過去20年中，Jeff Dahn共發(fā)表了超過640篇論文，同時還是65項發(fā)明的共同發(fā)明人；Jeff Dahn還獲得了無數(shù)獎項，包括國際電池材料協(xié)會（IBA）研究獎、加拿大物理學家協(xié)會赫茲伯格獎、ECS電池研究獎和國際電池材料協(xié)會的Yeager獎等。貢獻眾多，思維超前，Jeff Dahn毋庸置疑被稱為鋰電池領(lǐng)域的研究先鋒。 圖3 Jeff Dahn獲 Elsevier 2016 Energy Storage Materials LectureAward 2、 Jeff Dahn 的產(chǎn)研結(jié)合之路 Jeff Dahn于1982年畢業(yè)于英屬哥倫比亞大學（UBC），完成了他的博士學位。畢業(yè)后的三次工作經(jīng)歷在Jeff的產(chǎn)研結(jié)合過程中留下了濃墨重彩的一筆，分別是Moli Energy、3M和Tesla。畢業(yè)后即在Moli工作的Jeff Dahn主要關(guān)注鋰離子電池的原材料和反應(yīng)機理，為電池的產(chǎn)業(yè)化奠定了理論基礎(chǔ)；3M工作期間，鋰電池已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，Jeff Dahn的研究方向分為電解液添加劑、電解質(zhì)與電極材料的結(jié)合和庫侖效率三方面，為鋰電池的工業(yè)應(yīng)用掃清障礙；現(xiàn)在的Jeff Dahn作為Tesla的戰(zhàn)略合作伙伴，研究領(lǐng)域也更上一層樓——為了更好地改善鋰電池的電池性能，他目前的研究方向為電池的失效機理和高端添加劑，Jeff Dahn及其團隊的研究成果已經(jīng)成為了Tesla的“秘密武器”。 2.1、Moli Energy 的產(chǎn)研結(jié)合初試 Jeff Dahn自1985年博士畢業(yè)后即加入Moli Energy，這家公司是全球第一家鋰金屬可充電電池的量產(chǎn)制造商，同時也是北美第一家鋰離子電池的制造商。在Moli就職期間，Jeff著重搭建鋰電池產(chǎn)業(yè)化體系，對三元電池體系、含Ni/Co可充電鋰電池、無水/帶水電解質(zhì)可充電鋰電池等進行了探索。 1985~1989年，Jeff Dahn的研究成果主要包括對鋰離子電池架構(gòu)的嘗試與探索。Jeff Dahn嘗試了LixZrSe2、LixCuyMo6S8、LixTiS2、Li2NiO2等，并于1993年申請了鋰化二氧化鎳及其制備的二次電池專利——具有化學式LixXNi2-xyMyO2的鋰化二氧化鎳陰極活性材料。 1990~1992年，Jeff Dahn對陰極材料的研究情有獨鐘，研究了大量陰極活性材料、粘合劑，以及將鋰嵌入碳電極的工藝。他的研究成果包括：（1）在PC和EC電解質(zhì)的50:50混合物中使用的Li /石墨和Li /石油焦炭電池僅在首次放電時才顯示不可逆的反應(yīng)；（2）通過兩種不同的插層化合物制造可充電的LiNiO2電池；（3）LixCOO2中鋰嵌入的電化學和原位X射線衍射研究，等等。其中，Jeff對電池負極的貢獻非常大。鋰離子電池電解液的配方中含有EC已經(jīng)成為工業(yè)界的共識，如果沒有Jeff提出的EC，石墨不可能成為成熟的鋰離子電池負極。這些成果至今仍然經(jīng)常被學術(shù)論文引用，足可見其影響力。 圖4 JeffDahn 1990年部分申請專利 1994年起，Jeff Dahn將目光轉(zhuǎn)向了陽極材料。他嘗試了將石墨碳插入化合物、酚醛樹脂前體碳插入化合物、碳質(zhì)主體化合物等方式改進電池陽極。 1996年Jeff Dahn回到達爾豪斯大學，和3M展開了長達20年的合作。但是這并不意味著他和Moli的緣分的終止，Jeff在1999年將“鋰錳氧化物等固溶體材料的制備方法”專利授予Moli（此時已更名為NEC Moli Energy）應(yīng)用，這種方法可制備出適合作為鋰離子可充電電池陰極的材料，僅用兩步法即可合成鋰化的錳氧化物。除此以外，Jeff Dahn先后有7名學生在Moli Energy就職，現(xiàn)在Moli Enengy的首席科學家BrainWay（VP級別）正是1996年從Jeff研究小組畢業(yè)的博士生。 圖5MOLICEL的現(xiàn)任專家團隊 2.1、3M 的電池工業(yè)研發(fā)繆斯 Jeff Dahn自1996年開始與3M開始合作，極大地填補了3M鋰離子電池領(lǐng)域的專利空白。截至目前，Jeff Dahn與3M合作期間的研發(fā)大量產(chǎn)品仍然在市場上流通廣泛。與3M合作期間，Jeff Dahn的兩項最重要的發(fā)明均落地這段時間——NMC三元電池和高精度庫侖法。其中，NMC的研究成功，極大地撼動了磷酸鐵鋰在電動汽車電池屆的地位，在當時的“專利大戰(zhàn)”中殺出了一條血路。 2001年4月，Jeff Dahn發(fā)明了可以規(guī)模商業(yè)化的鎳鈷錳三元復合正極材料，由于他精確地限定了NMC中鎳的含量，業(yè)界公認Jeff是三元材料真正的開創(chuàng)者和發(fā)明者。同月，3M向美國申請了編號US6964828B2的基礎(chǔ)核心專利，意味著只要使用三元體系，就無法避免使用到這項專利。 2012年，隨著Tesla的飛速崛起，馬斯克將研發(fā)團隊的擴充作為重要任務(wù)，3M也無法避免“被挖角”的命運，這也成為了3M解散鋰電研發(fā)部門的契機。3M采取了“人走專利權(quán)留下”的策略，開始通過對外輸出專利和技術(shù)合作的方式獲取利潤，并有優(yōu)美科、松下、三星、杉杉、湖南瑞翔等企業(yè)合作伙伴。其中，優(yōu)美科與3M采取了深度綁定策略，即優(yōu)先向?qū)Ψ教峁⿲＠跈?quán)和技術(shù)合作。同樣地，這段時間，JeffDahn也為優(yōu)美科提供了很多專利的使用權(quán)。 除了三元電池，Jeff Dahn在3M的主要任務(wù)還包括電解液添加劑、鋰鹽添加劑的開發(fā)以及電解液與電池正、負極的反應(yīng)改進。思維超前的Jeff Dahn將關(guān)注點集中在粘結(jié)劑、添加劑、催化劑以及納米復合材料上，粘合劑方面，Jeff提出了羧甲基纖維素鈉、Nafion等；添加劑包括碳酸亞乙烯酯（VC）、C3H9B3O6、LiN(CF3SO2)2等；催化劑方面有Co—C—N還原催化劑、Fe—C—N減氧催化劑等。LiTFSi至今仍然是3M的強勢產(chǎn)品。 在研究過程中，Jeff Dahn經(jīng)常使用建模方法測量電池材料的熱穩(wěn)定性、助劑對材料的影響等，并會根據(jù)需要改進、發(fā)明新的測量方式。高精度庫侖法就是其中之一，它可以在幾周內(nèi)對鋰電池的壽命進行測試，有效縮短研發(fā)時間。高精度庫侖法是Jeff Dahn在2010開始嘗試使用的精密測量法，用來測定庫侖效率。它通過使用在不同C速率下進行的實驗來探究電池充放電周期誘發(fā)的和時間相關(guān)的容量損失的影響。Jeff通過發(fā)明高精度庫侖儀，可以結(jié)合電池的其它指標預(yù)測電池壽命。 圖6 高精度庫侖法的首次應(yīng)用 隨后，Jeff Dahn用這種方法繼續(xù)測量了鋰離子電池中電解質(zhì)添加劑的影響、NCM電極的影響和庫侖效率的深度影響、SEI影響等等。2016年，Jeff Dahn憑借此法獲得了2016年Governor Generate (Canada) Innovation Award。 同樣地，3M作為Jeff Dahn的長期合作伙伴，Jeff共有3名學生進入3M工作。由于3M和優(yōu)美科的合作， 3名進入優(yōu)美科的學子，也可以視作“3M效應(yīng)”了。 Jeff Dahn在于3M合作期間進行了大量電極、電解液以及添加劑的新嘗試，合作后期的Jeff也開始著眼于電池壽命的改善、電池老化的機理、電池效率的改善等，這些為他后期與Tesla的合作奠定了基礎(chǔ)。 2.1、Tesla 的電池材料靈感源泉 Tesla目前是全球目前最炙手可熱的公司之一。Jeff Dahn與Tesla合作，旨在開發(fā)壽命更長，成本更低的鋰離子電池。Jeff Dahn在合作之初就表示：從理論上講，只需將鋰離子電池充電至更高的電壓即可輕松提高其能量密度。問題是這樣做時，電池的使用壽命會受到損害。因此，鋰電池的性能改善始終是壽命和能量密度之間的權(quán)衡。 JeffDahn和他的電池實驗室在Tesla工作期間，著重對電池的失效機理和高端催化劑進行了研究。從開始合作起，Jeff Dahn 研究小組就陸續(xù)取得突破成就。2016年，Jeff Dahn實驗室開始著手研發(fā)無負極鋰電池，改善其阻抗的快速增長和氣體的產(chǎn)生；2017年，Jeff實驗室對助劑、電池性能的改善和電池負極硅含量的調(diào)整進行了研究；2018年，Jeff 重點關(guān)注電池的循環(huán)效率、無陽極鋰電池性能，研究了富鎳LiNixMnyCozO2的結(jié)構(gòu)、電化學及性能，為2019年無鈷電池概念的提出奠定了重要基礎(chǔ)；2019年，Jeff團隊對電池性能的改善、壽命的延長做出了貢獻，并對阻抗進行了更加深入的研究分析。2019年底，具有核殼結(jié)構(gòu)的無鈷富鎳正極材料正式面世，并于2020年在工業(yè)界掀起軒然大波。 圖7 Jeff Dahn的研究過程 Jeff Dahn也少不了在Tesla工作的學生，受到Tesla迅速發(fā)展的影響，共有5名學生先后進入公司就職。 圖4 Jeff Dahn 1990年部分申請專利 3、下一位諾貝爾獎的熱門候選人——Jeff Dahn Jeff Dahn作為鋰離子電池研究領(lǐng)域的先驅(qū)，對行業(yè)的貢獻極大。截至2016年，他共有超過630篇論文和65項發(fā)明專利面世。其中，Jeff Dahn是Li [NixMnxCo1-2x]O2 0<x<0.5（稱為NMC）正極材料的聯(lián)合創(chuàng)始人之一，今天制造的許多鋰離子電池都在使用NMC正極材料；Jeff Dahn還研發(fā)了高精度庫侖法，可將鋰離子電池數(shù)十年的長壽命歸類到僅持續(xù)數(shù)周的實驗中。 Jeff Dahn不僅和Moli、3M和Tesla有過長期合作，還在Medtronic、Columbian Chemicals、Acheson Colloids、Rayovac、Intel、FMCCorp、BP Amoco、Sion Power andPolystor擔任過咨詢顧問；為Exide、ToshibaAmerica、BYD Americ、ValenceTechnologies、NTT擔任過專家證人。Dahn的研究小組也衍生了兩家公司——DPM Solution和Novonix。Jeff教授的眾多學子在畢業(yè)后進入到這些合作公司中工作，繼續(xù)為研究成果產(chǎn)業(yè)化貢獻自己的力量。 4、團隊簡介 圖11 Jeff Dahn研究團隊合影 Jeff Dahn團隊目前共有25名畢業(yè)&博士在讀生，3名大學生，2名技術(shù)支持及1名研究助理，其中共有7名中國人。研究領(lǐng)域包括鋰離子電池的失效機理、電解液、正極材料、衰老機制、電池壽命和阻抗研究等等。 表1 Jeff Dahn實驗室現(xiàn)任成員 表2 Jeff Dahn團隊畢業(yè)學生去向 |
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2樓2020-06-01 16:08:17
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