中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：可充電鋰離子電池誕生至今已有50年，其價(jià)值顯而易見?？沙潆婁囯x子電池被用于數(shù)不勝數(shù)的筆記本電腦、手機(jī)、電動(dòng)工具和汽車中，全球銷售額每年逾450億美元，未來10年將超過1000億美元。
然而，這項(xiàng)變革性的發(fā)明卻用了近20年時(shí)間才走出實(shí)驗(yàn)室，雖然美國、歐洲和亞洲的多家公司都曾考慮過這項(xiàng)技術(shù)，但這些公司并未能認(rèn)識(shí)到它的潛力。
1972年，埃克森公司的M.斯坦利?惠廷漢姆（M. Stanley Whittingham）開發(fā)了初代版本的鋰離子電池，但并未持續(xù)發(fā)展多長時(shí)間。?？松具M(jìn)行了小批量生產(chǎn)，1977年，電池在芝加哥的一個(gè)電動(dòng)車展上亮相，隨后短暫地充當(dāng)了紐扣電池的角色。但后來埃克森放棄了該產(chǎn)品。
之后世界各地的科學(xué)家紛紛開始研究這一技術(shù)，但在近15年的時(shí)間里均未取得成功。直到最后，合適的公司在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間成功完成了研發(fā)，使其最終踏上了占領(lǐng)電池世界之路。
20世紀(jì)70年代初，?？松镜目茖W(xué)家預(yù)測全球石油產(chǎn)量將在2000年達(dá)到峰值，之后開始穩(wěn)步下降。該公司鼓勵(lì)研究人員尋找石油的替代品，追求一切非石油相關(guān)的能源形式。
1972年秋，新澤西州?？松芯颗c工程公司一名年輕的英國化學(xué)家惠廷漢姆加入了這項(xiàng)工作。圣誕節(jié)前夕，他開發(fā)了一種電池，該電池以二硫化鈦?zhàn)鳛殛帢O，使用鋰離子作為電解液。
惠廷漢姆的電池與之前的任何電池都不同。其工作原理是將離子插入電極材料主體的原子晶格中，該過程稱為嵌入。其性能也前所未有：既可充電，又具有很高的能量輸出。在此之前，最好的可充電電池是鎳鎘電池，其最大輸出電壓為1.3伏。與之相比，惠廷漢姆的新化學(xué)電池的輸出達(dá)到了驚人的2.4伏。
1973年冬，經(jīng)理把惠廷漢姆叫到公司的紐約辦公室，讓他出席?？松径聲?huì)一個(gè)小組委員會(huì)的會(huì)議?！拔疫M(jìn)去做了說明——5分鐘，最多10分鐘。”2020 年1 月惠廷漢姆這樣對(duì)我說，“不到一周，他們就說，好，他們想投資這個(gè)項(xiàng)目。”
這似乎是某個(gè)大事件的開始?；萃h姆在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了論文；?？松鹃_始生產(chǎn)紐扣型鋰電池，瑞士手表制造商Ebauches將此種電池用于了太陽能充電手表。
不過20世紀(jì)70年代末，?？松緦?duì)石油替代品的興趣減弱。此外，該公司高管認(rèn)為惠廷漢姆的概念不太可能獲得廣泛成功。他們放棄了二硫化鈦鋰電池技術(shù)，將該技術(shù)授權(quán)給了分別在亞洲、歐洲和美國的3家電池公司。
“我理解公司這樣做的理由?！被萃h姆說，“這個(gè)市場還不夠大。我們的發(fā)明太超前了。”
在可充電鋰電池的眾多錯(cuò)誤的開端中，這是第一個(gè)。牛津大學(xué)的約翰?B.古迪納夫（John B. Goodenough）是接過接力棒的下一名科學(xué)家。古迪納夫熟悉惠廷漢姆的工作，部分原因是惠廷漢姆在牛津大學(xué)獲得了博士學(xué)位。1978年，惠廷漢姆發(fā)表了一篇題為《嵌入型化合物的化學(xué)性質(zhì)：硫?qū)僦黧w中的金屬客體》的論文，這篇論文讓古迪納夫確信，鋰是電池研究的前沿課題。（古迪納夫于2023年6月25日去世，享年100歲。）
古迪納夫和研究員水島公一（Koichi Mizus-hima）開始研究嵌入型鋰電池。1980年，兩人改進(jìn)了惠廷漢姆的設(shè)計(jì)，用鈷酸鋰代替二硫化鈦。新的化學(xué)物質(zhì)將電池的電壓提高了2/3，達(dá)到了4伏。
2008年，古迪納夫在回憶錄《見證恩典》（Witness to Grace）中回憶道，自己給美國、英國和歐洲大陸的電池企業(yè)寫了信，希望找到一家合作伙伴。但他未能如愿。
古迪納夫還要求牛津大學(xué)支付專利費(fèi)用，但牛津大學(xué)拒絕了。像當(dāng)時(shí)的許多大學(xué)一樣，牛津大學(xué)并不愿涉足知識(shí)產(chǎn)權(quán)，認(rèn)為此類問題僅限于商業(yè)領(lǐng)域。
盡管如此，古迪納夫?qū)ψ约旱碾姵鼗瘜W(xué)技術(shù)仍然信心十足。他參觀了英國原子能研究所（AERE），這是一家政府實(shí)驗(yàn)室，位于距牛津大學(xué)約20公里的哈維爾。該實(shí)驗(yàn)室同意為其專利提供資金，前提是這位59歲的科學(xué)家和他的共同發(fā)明人水島簽署協(xié)議，放棄其財(cái)務(wù)權(quán)利。兩人同意了這一條件。實(shí)驗(yàn)室于1981年獲得專利；古迪納夫從未得到過有關(guān)原始電池的任何收益。
對(duì)于英國原子能研究所而言，這應(yīng)該是最大的意外收獲。它沒有做任何研究，現(xiàn)在卻擁有了一項(xiàng)專利，其價(jià)值將是天文數(shù)字。但實(shí)驗(yàn)室的管理人員并未預(yù)見到這一點(diǎn)。專利歸檔后，管理人員便將其束之高閣。
可充電鋰電池的下一個(gè)支持者是日本朝日化學(xué)公司34歲的化學(xué)家吉野彰（Akira Yoshino）。吉野當(dāng)時(shí)已開始獨(dú)立研究在電池中使用塑料陽極（由導(dǎo)電的聚乙炔制成），并在尋找與之匹配的陰極。吉野在自傳《鋰離子電池打開未來之門，發(fā)明家背后的故事》（Lithium-Ion Batteries Open the Door to the Future,Hidden Stories by the Inventor）中回憶道，1982年的最后一天，在整理辦公桌的時(shí)候，他發(fā)現(xiàn)了一篇1980年以古迪納夫?yàn)槁?lián)合作者的技術(shù)論文。這篇論文介紹了一種鋰鈷氧化物陰極，吉野拿到文章后一直沒時(shí)間閱讀。這種陰極能與他的塑料陽極結(jié)合使用嗎？
吉野和一些同事將古迪納夫的陰極與塑料陽極搭配。他們還嘗試將陰極與其他各種陽極材料搭配，這些材料大多由不同類型的碳制成。最終，他和同事們選定了由石油焦制成的碳基陽極。
選擇石油焦是一個(gè)重大的進(jìn)步?；萃h姆和古迪納夫使用的陽極由金屬鋰制成，金屬鋰易揮發(fā)，甚至有危險(xiǎn)。通過改用碳基材料，吉野和同事們制造的電池遠(yuǎn)比之前安全。
不過問題依然存在。首先，朝日化學(xué)是一家化學(xué)公司而非電池制造商。朝日化學(xué)沒有人知道如何以商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)電池，該公司也不具備生產(chǎn)電池所需的涂層或纏繞設(shè)備。研究人員只制造了粗糙的實(shí)驗(yàn)室原型。
隨后，朝日化學(xué)的研究主管栗林功（Isao Kuribayashi）登場，他曾是該電池制造團(tuán)隊(duì)的一員。在他所著的《無名電池不為人知的故事》（A Nameless Battery with Untold Stories）一書中，栗林講述了他和一位同事如何在美國尋找顧問以幫助制造電池。一位顧問推薦了一家名為電池工程（Battery Engineering）的小公司，該公司位于波士頓海德公園地區(qū)的一個(gè)改裝卡車車庫，由一小群博士科學(xué)家經(jīng)營，這些科學(xué)家是制造特殊電池的專家。他們制造的電池用途廣泛，包括戰(zhàn)斗機(jī)、導(dǎo)彈發(fā)射井和井下鉆探平臺(tái)等。
于是1986年6月，栗林和同事帶著3個(gè)分別裝有陰極、陽極和電解質(zhì)漿體的罐子飛往波士頓，突然出現(xiàn)在了電池工程公司的會(huì)議上。他們請(qǐng)?jiān)摴镜穆?lián)合創(chuàng)始人尼古拉?馬林奇科（Nikola Marincic）把這些漿體變成圓柱形電池，就像人們能買到的手電筒那樣。
“他們說：‘如果你想制造電池，那就別再問問題了。’”馬林奇科在2020年的一次采訪中告訴我，“他們沒有告訴我東西是誰送來的，我也不想問?！?
栗林和他的同事還要求馬林奇科不能將他們的電池告訴任何人。直到2020年，就連馬林奇科的員工也不知道自己參與了世界上第一批鋰離子電池的預(yù)生產(chǎn)。
馬林奇科公司生產(chǎn)一批電池要價(jià)3萬美元（相當(dāng)于今天的8.3萬美元）。兩周后，栗林和同事帶著一盒200個(gè)C型電芯啟程前往日本。
然而，即使手頭有了可以工作的電池，栗林仍遭到了朝日化學(xué)董事局的抵制，他們還是畏懼進(jìn)入一個(gè)未知的行業(yè)。
栗林并不打算放棄。1987年1月21日，他訪問了索尼公司的攝像機(jī)部門，做了一場關(guān)于朝日化學(xué)新電池的演示。他拿起一個(gè)C型電芯，在會(huì)議室的桌子上將電池滾到了該部門的與會(huì)代表面前。
栗林并未在書中透露更多細(xì)節(jié)，只是簡單地寫道，自己希望通過訪問索尼公司來“確認(rèn)電池技術(shù)”。
然而，索尼公司不僅僅是“確認(rèn)”了這項(xiàng)技術(shù)。根據(jù)該公司歷史記錄，索尼當(dāng)時(shí)正考慮自行開發(fā)可充電鋰電池。看到旭化成的電池時(shí)，該公司的高管層意識(shí)到了它的巨大價(jià)值。索尼公司既是消費(fèi)電子產(chǎn)品制造商又是電池制造商，因此其管理團(tuán)隊(duì)會(huì)從客戶和供應(yīng)商的角度來理解電池。
時(shí)機(jī)也恰到好處。索尼公司的工程師正在研發(fā)一款新型便攜式攝像機(jī)（后來被稱為數(shù)碼攝像機(jī)），這款產(chǎn)品迫切需要更小、更輕的電池。對(duì)工程師們而言，栗林展示的電池仿佛從天而降的禮物。
隨后，兩方開了幾次會(huì)。栗林表示，索尼公司的部分科學(xué)家被允許進(jìn)入旭化成的實(shí)驗(yàn)室，反之亦然。最終，索尼提出合作，但朝日化學(xué)拒絕了這一提議。
由此開始，鋰離子電池的商業(yè)化之路不明朗了。索尼公司的研究人員繼續(xù)致力于開發(fā)可充電鋰電池，索尼在其企業(yè)歷史中聲稱此過程所使用的化學(xué)物質(zhì)是該公司內(nèi)部制造的。但索尼公司的電池使用了與朝日化學(xué)相同的基本化學(xué)物質(zhì)。陰極是鋰鈷氧化物；陽極是石油焦；電解液中含有鋰離子。
可以確定的是，從1987年到1989年這兩年間，索尼公司的工程師們付出了艱辛，他們把粗糙的原型設(shè)計(jì)變成了產(chǎn)品。在電池工程師吉尾西（Yoshio Nishi）的帶領(lǐng)下，索尼團(tuán)隊(duì)與供應(yīng)商合作開發(fā)了粘合劑、電解質(zhì)、分離器和添加劑。他們自主開發(fā)了陽極熱處理工藝和大量生產(chǎn)陰極粉末的工藝。值得稱贊的是，他們創(chuàng)造了真正的商業(yè)化產(chǎn)品。
到此，只剩下最后一步了。1989年，索尼公司的一位高管致電英國哈維爾的原子能研究所。這位高管問起了該實(shí)驗(yàn)室一項(xiàng)塵封8年的專利——古迪納夫的陰極技術(shù)，表示索尼公司有興趣獲得該技術(shù)的授權(quán)。
哈維爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家和高管們都摸不著頭腦。他們不理解為什么會(huì)有人對(duì)“新型快速離子導(dǎo)體電化學(xué)電池”的專利感興趣。
當(dāng)時(shí)的英國原子能研究所科學(xué)家比爾?麥克林（Bill Macklin）告訴我：“當(dāng)時(shí)還不清楚這個(gè)市場會(huì)是什么樣子，也不清楚市場會(huì)有多大。”一些年長的科學(xué)家甚至高聲質(zhì)疑英國原子能研究所與日本公司分享秘密是否合適，因?yàn)樵诙?zhàn)中，日本是英國的敵國。不過，雙方最終還是達(dá)成了協(xié)議。
1991年，索尼公司推出了這款電池，并將其命名為“鋰離子”這個(gè)人們?nèi)缃穸炷茉數(shù)拿?。很快，鋰離子電池開始應(yīng)用于便攜式攝像機(jī)，然后是手機(jī)。
此時(shí)，距離惠廷漢姆的發(fā)明已經(jīng)過去了19年。很多公司都曾有機(jī)會(huì)利用這項(xiàng)技術(shù)，但最終都以放棄告終。
首先是?？松?，該公司的高管做夢(mèng)也想不到，鋰離子電池最終會(huì)讓電動(dòng)汽車與石油能源汽車展開激烈競爭。部分觀察人士后來表示，?？松艞壌隧?xiàng)技術(shù)是在合謀打壓石油能源的挑戰(zhàn)者。但埃克森公司也曾將該技術(shù)授權(quán)給另外3家公司，卻未能有一家公司取得成功。
然后是拒絕支付專利費(fèi)用的牛津大學(xué)。
最后是朝日化學(xué)，該公司高管層對(duì)是否決定進(jìn)入電池市場猶豫不決。（1993年，朝日化學(xué)終于涉足該領(lǐng)域，與東芝公司合作生產(chǎn)鋰離子電池。）
索尼公司和英國原子能研究所從電池業(yè)務(wù)中獲利最多，雙方的成功均得益于運(yùn)氣。英國原子能研究所只為一項(xiàng)后來被證明有價(jià)值的專利支付了法律費(fèi)用，卻經(jīng)人提醒才想起自己擁有這項(xiàng)專利。雖然英國原子能研究所從專利中具體獲利多少尚不清楚，但大多數(shù)觀察人士認(rèn)為，在專利到期之前，英國原子能研究所至少獲利5000萬美元，甚至可能超過1億美元。
同時(shí)，索尼公司也幸運(yùn)地接待了朝日化學(xué)的栗林，從而讓索尼公司走上了電池商業(yè)化的道路。索尼銷售了數(shù)千萬塊電池，然后將英國原子能研究所的專利再授權(quán)給其他20多家亞洲電池制造商，這些制造商又生產(chǎn)了數(shù)十億塊電池。2016年，索尼公司以175億日元（約合今天的1.26億美元）的價(jià)格將其電池業(yè)務(wù)出售給了日本村田制造公司。
惠廷漢姆、古迪納夫和吉野這3位最初的研究者均未從這些利潤中分得一杯羹。不過，這3位科學(xué)家獲得了2019年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。索尼公司的吉尾西當(dāng)時(shí)已經(jīng)退休，并未入選諾貝爾獎(jiǎng)，據(jù)日本每日新聞社報(bào)道，他在新聞發(fā)布會(huì)上抨擊了這一結(jié)果。
回想起來，鋰離子的早期歷史現(xiàn)在看起來像是兩個(gè)世界的故事。一個(gè)科學(xué)的世界，一個(gè)商業(yè)的世界，兩者很少重疊?；瘜W(xué)家、物理學(xué)家和材料學(xué)家默默工作，在技術(shù)出版物和會(huì)議上分享各自的成果。與此同時(shí)，商業(yè)世界并未期待科學(xué)家的突破，也并未發(fā)現(xiàn)新電池化學(xué)技術(shù)的潛力，即使是其自己的研究人員取得的進(jìn)步也未得到重視。
如果不是索尼公司，可充電鋰電池的光芒可能還會(huì)被掩蓋多年。幾乎可以肯定的是，這家公司之所以成功，是因?yàn)槠涮厥猸h(huán)境使它能夠理解并欣賞栗林的原型設(shè)計(jì)。索尼公司當(dāng)時(shí)已經(jīng)進(jìn)入了電池行業(yè)，需要為自己的新型攝像機(jī)提供更好的電池，并且一直在嘗試開發(fā)自己的可充電鋰電池。索尼的工程師和高管們清楚地知道這個(gè)難題的走向，認(rèn)識(shí)到了許多人忽視的事實(shí)。正如一個(gè)多世紀(jì)前路易斯?巴斯德（Louis Pasteur）的名言所說的那樣：“機(jī)遇青睞有準(zhǔn)備的人?！?
鋰離子電池的故事表明，巴斯德說的沒錯(cuò)。
作者：Charles J. Murray
