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锂电池-科学与商业的交汇奇迹

自可充电锂离子电池问世以来的半个世纪里,其重要性不言而喻。这项技术已广泛应用于笔记本电脑、手机、电动工具及汽车等领域,全球年销售额超过450亿美元,并预计在接下来的十年内将突破1000亿美元大关。

然而,这项革命性的发明却经历了近二十年的实验室蛰伏期。尽管美、欧、亚的多家公司都曾关注过这项技术,但均未能洞察其巨大潜力。

1972年,埃克森公司的M.斯坦利·惠廷汉姆(M. Stanley Whittingham)研发出了锂离子电池的初代版本,但这一技术并未得到持续发展。埃克森公司进行了小规模生产,并在1977年的芝加哥电动车展上展示了这款电池,它一度作为纽扣电池短暂亮相。然而,埃克森公司最终放弃了这一产品。

随后,世界各地的科学家纷纷投身于这一技术的研发,但历经近十五年,均未取得实质性突破。直到合适的公司在恰当的时机成功完成了研发,锂离子电池才最终踏上了征服电池市场的征途。

20世纪70年代初,鉴于全球石油产量预计将在2000年达到峰值并随后稳步下降,埃克森公司鼓励研究人员寻找石油替代品,探索非石油能源形式。在此背景下,1972年秋,埃克森研究与工程公司的新泽西分部迎来了一位年轻的英国化学家——惠廷汉姆。在圣诞节前夕,他研发出了一种以二硫化钛为阴极、以锂离子为电解液的电池。

惠廷汉姆的电池采用了前所未有的工作原理——将离子嵌入电极材料的原子晶格中,这一过程被称为嵌入。其性能卓越:既可充电,又具备高能量输出。与当时最好的可充电电池——镍镉电池(最大输出电压为1.3伏)相比,惠廷汉姆的新化学电池的输出电压高达2.4伏。

1973年冬,惠廷汉姆被召至纽约的公司总部,向埃克森公司董事会的一个小组委员会进行了汇报。不久后,公司决定投资这一项目。惠廷汉姆在《科学》杂志上发表了论文,埃克森公司开始生产纽扣型锂电池,这些电池被瑞士手表制造商Ebauches用于太阳能充电手表。

然而,到了20世纪70年代末,埃克森公司对石油替代品的兴趣减弱。公司高管认为惠廷汉姆的技术不太可能获得广泛成功,因此放弃了二硫化钛锂电池技术,并将其授权给了亚洲、欧洲和美国的三家电池公司。

惠廷汉姆对此表示理解:“这个市场还不够大。我们的发明太超前了。”

在可充电锂电池的众多曲折发展历程中,这是第一个重要的节点。随后,牛津大学的约翰·B·古迪纳夫(John B. Goodenough)接过了这一接力棒。古迪纳夫对惠廷汉姆的工作有所了解,因为惠廷汉姆曾在牛津大学获得博士学位。1978年,惠廷汉姆发表的一篇论文让古迪纳夫确信,锂是电池研究的前沿课题。

1980年,古迪纳夫和研究员水岛公一(Koichi Mizushima)改进了惠廷汉姆的设计,用钴酸锂取代了二硫化钛。这一改进将电池的电压提高了三分之二,达到了4伏。

尽管古迪纳夫向多家电池企业发出了合作邀请,但均未得到回应。他还要求牛津大学支付专利费用,但遭到了拒绝。像当时的许多大学一样,牛津大学不愿涉足知识产权领域,认为这些问题仅限于商业范畴。

尽管如此,古迪纳夫仍对自己的电池化学技术充满信心。他参观了位于牛津大学附近20公里的英国原子能研究所(AERE),该研究所同意为其专利提供资金,但前提是古迪纳夫和水岛必须签署协议,放弃其财务权利。两人同意了这一条件。1981年,该研究所获得了专利;但古迪纳夫从未从原始电池中获得过任何收益。

对于英国原子能研究所而言,这原本应该是一个意外的收获。它并未进行任何研究,却拥有了一项价值连城的专利。然而,实验室的管理人员并未预见到这一点。专利归档后,他们便将其束之高阁。

可充电锂电池的下一个关键人物是日本朝日化学公司34岁的化学家吉野彰(Akira Yoshino)。吉野当时已开始独立研究在电池中使用塑料阳极(由导电的聚乙炔制成),并寻找与之匹配的阴极。1982年底,他在整理办公桌时发现了古迪纳夫等人于1980年发表的一篇技术论文。这篇论文介绍了一种锂钴氧化物阴极。吉野拿到文章后一直没时间阅读,但他想知道这种阴极是否能与他的塑料阳极结合使用。

吉野和同事将古迪纳夫的阴极与塑料阳极进行了搭配,并尝试了其他各种阳极材料(大多由不同类型的碳制成)。最终,他们选定了由石油焦制成的碳基阳极。这一选择是一个重大的进步,因为惠廷汉姆和古迪纳夫使用的金属锂阳极易挥发且存在危险。通过改用碳基材料,吉野和同事制造的电池在安全性上有了显著提升。

然而,问题依然存在。朝日化学是一家化学公司而非电池制造商,没有人知道如何以商业规模生产电池,也不具备所需的涂层或缠绕设备。研究人员只制造出了粗糙的实验室原型。

随后,朝日化学的研究主管栗林功(Isao Kuribayashi)登场了。他曾是该电池制造团队的一员。在《无名电池不为人知的故事》一书中,他讲述了自己和一位同事如何在美国寻找顾问以帮助制造电池。最终,他们找到了一家位于波士顿的小公司——电池工程(Battery Engineering),该公司由一群博士科学家经营,是制造特殊电池的专家。

1986年6月,栗林和同事带着装有阴极、阳极和电解质浆体的罐子飞往波士顿,突然出现在了电池工程公司的会议上。他们请该公司的联合创始人尼古拉·马林奇科(Nikola Marincic)把这些浆体变成圆柱形电池。

马林奇科回忆说:“他们说:‘如果你想制造电池,那就别再问问题了。’他们没有告诉我东西是谁送来的,我也不想问。”

栗林和他的同事还要求马林奇科不能将他们的电池告诉任何人。直到2020年,就连马林奇科的员工也不知道自己参与了世界上第一批锂离子电池的预生产。

马林奇科公司生产一批电池要价3万美元(相当于今天的8.3万美元)。两周后,栗林和同事带着一盒200个C型电芯启程前往日本。

然而,即使有了可以工作的电池,栗林仍遭到了朝日化学董事局的抵制,他们害怕进入一个未知的行业。

但栗林并未放弃。1987年1月21日,他访问了索尼公司的摄像机部门,并做了一场关于朝日化学新电池的演示。他拿起一个C型电芯,在会议室的桌子上将电池滚到了该部门的与会代表面前。

栗林在书中并未透露更多细节,只是简单地写道,自己希望通过访问索尼公司来“确认电池技术”。

然而,索尼公司不仅“确认”了这项技术,还看到了其巨大价值。索尼既是消费电子产品制造商又是电池制造商,因此其管理团队能够从客户和供应商的角度来理解电池。当时,索尼的工程师正在研发一款新型便携式摄像机(后来被称为数码摄像机),这款产品迫切需要更小、更轻的电池。栗林展示的电池仿佛是从天而降的礼物。

随后,双方进行了多次会谈。栗林表示,索尼公司的部分科学家被允许进入朝日化学的实验室,反之亦然。最终,索尼提出合作,但朝日化学拒绝了这一提议。

至此,锂离子电池的商业化之路变得不明朗起来。索尼公司的研究人员继续致力于开发可充电锂电池。索尼在其企业历史中声称此过程所使用的化学物质是该公司内部制造的,但索尼公司的电池使用了与朝日化学相同的基本化学物质:阴极是锂钴氧化物;阳极是石油焦;电解液中含有锂离子。

从1987年到1989年,索尼公司的工程师们付出了艰辛的努力,把粗糙的原型设计变成了产品。在电池工程师吉尾西(Yoshio Nishi)的带领下,索尼团队与供应商合作开发了粘合剂、电解质、分离器和添加剂。他们自主开发了阳极热处理工艺和大量生产阴极粉末的工艺。最终,他们创造了真正的商业化产品。

只剩下最后一步了。1989年,索尼公司的一位高管致电英国哈维尔的原子能研究所,询问了该实验室一项尘封八年的专利——古迪纳夫的阴极技术,并表示索尼公司有兴趣获得该技术的授权。

哈维尔实验室的科学家和高管们都感到困惑不解。他们不明白为什么会有人对“新型快速离子导体电化学电池”的专利感兴趣。当时的英国原子能研究所科学家比尔·麦克林(Bill Macklin)回忆说:“当时还不清楚这个市场会是什么样子,也不清楚市场会有多大。”一些年长的科学家甚至高声质疑英国原子能研究所与日本公司分享秘密是否合适。不过,双方最终还是达成了协议。

1991年,索尼公司推出了一款革命性的电池产品,并将其命名为如今广为人知的“锂离子电池”。这一创新迅速在便携式摄像机领域崭露头角,随后又迅速渗透至手机市场。然而,此时距离惠廷汉姆的原始发明已悄然过去19载,期间众多企业曾有机会把握这一技术,却纷纷与之擦肩而过。

埃克森公司便是其中之一,其高层未曾预见锂离子电池将引领电动汽车与燃油车之间的激烈竞争。有评论指出,埃克森放弃该技术或许是对石油行业潜在挑战者的有意打压。尽管埃克森曾将技术授权给三家公司,却未能见证任何一家的成功。

同样错失良机的还有牛津大学,因拒绝支付专利费用而未能充分利用这一技术。而朝日化学则在是否涉足电池市场的决策上犹豫不决,直至1993年才携手东芝涉足锂离子电池领域。

相比之下,索尼公司与英国原子能研究所则成为了这场技术盛宴的最大赢家。索尼的成功得益于其独特的商业眼光,而英国原子能研究所则因一项被忽视的专利而意外收获颇丰。据估计,在专利有效期内,该研究所的获利可能高达5000万美元至1亿美元之间。索尼不仅销售了数千万块电池,还将英国原子能研究所的专利再授权给亚洲的20多家电池制造商,这些制造商又生产了数十亿块电池。2016年,索尼以175亿日元(相当于今天的1.26亿美元)的价格将其电池业务出售给了日本村田制造公司。

然而,令人遗憾的是,最初的三位研究者——惠廷汉姆、古迪纳夫和吉野——并未从这场技术革命中分得一杯羹。尽管如此,他们在2019年共同荣获了诺贝尔化学奖。而索尼公司的吉尾西因已退休而未能入选诺贝尔奖,对此他在新闻发布会上表达了不满。

回顾锂离子电池的早期历史,我们不难发现,科学与商业之间似乎存在着一条难以逾越的鸿沟。科学家们默默耕耘,在学术圈内分享着他们的研究成果;而商业世界则对科学家的突破视而不见,甚至对自家研究人员取得的进步也缺乏足够的重视。

索尼公司的成功无疑是一个例外。这家企业凭借其独特的行业背景和敏锐的市场洞察力,成功地将栗林的原型设计转化为商业产品。索尼的工程师和高管们深知这一技术的潜力,并敏锐地捕捉到了许多人所忽视的事实。正如巴斯德所言:“机遇青睐有准备的人。”锂离子电池的故事再次印证了这一真理。