可充電鋰離子電池誕生至今已有50年，其價值顯而易見?？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、電動工具和汽車中，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，這項變革性的發(fā)明卻用了近20年時間才走出實驗室，雖然美國、歐洲和亞洲的多家公司都曾考慮過這項技術，但這些公司并未能認識到它的潛力。
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)展多長時間。埃克森公司進行了小批量生產(chǎn)，1977年，電池在芝加哥的一個電動車展上亮相，隨后短暫地充當了紐扣電池的角色。但后來埃克森放棄了該產(chǎn)品。
之后世界各地的科學家紛紛開始研究這一技術，但在近15年的時間里均未取得成功。直到最后，合適的公司在恰當?shù)臅r間成功完成了研發(fā)，使其最終踏上了占領電池世界之路。
20世紀70年代初，埃克森公司的科學家預測全球石油產(chǎn)量將在2000年達到峰值，之后開始穩(wěn)步下降。該公司鼓勵研究人員尋找石油的替代品，追求一切非石油相關的能源形式。
1972年秋，新澤西州?？松芯颗c工程公司一名年輕的英國化學家惠廷漢姆加入了這項工作。圣誕節(jié)前夕，他開發(fā)了一種電池，該電池以二硫化鈦作為陰極，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，惠廷漢姆的新化學電池的輸出達到了驚人的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?？松径聲粋€小組委員會的會議。“我進去做了說明——5分鐘，最多10分鐘。”2020 年1 月惠廷漢姆這樣對我說，“不到一周，他們就說，好，他們想投資這個項目。”
這似乎是某個大事件的開始。惠廷漢姆在《科學》雜志上發(fā)表了論文；埃克森公司開始生產(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70年代末，?？松緦κ吞娲返呐d趣減弱。此外，該公司高管認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，將該技術授權給了分別在亞洲、歐洲和美國的3家電池公司。
“我理解公司這樣做的理由。”惠廷漢姆說，“這個市場還不夠大。我們的發(fā)明太超前了。”
在可充電鋰電池的眾多錯誤的開端中，這是一個。牛津大學的約翰?B.古迪納夫（John B. Goodenough）是接過接力棒的下一名科學家。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獲得了博士學位。1978年，惠廷漢姆發(fā)表了一篇題為《嵌入型化合物的化學性質(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，兩人改進了惠廷漢姆的設計，用鈷酸鋰代替二硫化鈦。新的化學物質(zhì)將電池的電壓提高了2/3，達到了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支付專利費用，但牛津大學拒絕了。像當時的許多大學一樣，牛津大學并不愿涉足知識產(chǎn)權，認為此類問題僅限于商業(yè)領域。
盡管如此，古迪納夫?qū)ψ约旱碾姵鼗瘜W技術仍然信心十足。他參觀了英國原子能研究所（AERE），這是一家政府實驗室，位于距牛津大學約20公里的哈維爾。該實驗室同意為其專利提供資金，前提是這位59歲的科學家和他的共同發(fā)明人水島簽署協(xié)議，放棄其財務權利。兩人同意了這一條件。實驗室于1981年獲得專利；古迪納夫從未得到過有關原始電池的任何收益。
對于英國原子能研究所而言，這應該是最大的意外收獲。它沒有做任何研究，現(xiàn)在卻擁有了一項專利，其價值將是天文數(shù)字。但實驗室的管理人員并未預見到這一點。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支持者是日本朝日化學公司34歲的化學家吉野彰（Akira Yoshino）。吉野當時已開始獨立研究在電池中使用塑料陽極（由導電的聚乙炔制成），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，在整理辦公桌的時候，他發(fā)現(xiàn)了一篇1980年以古迪納夫為聯(lián)合作者的技術論文。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間閱讀。這種陰極能與他的塑料陽極結合使用嗎？
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。
選擇石油焦是一個重大的進步。惠廷漢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。通過改用碳基材料，吉野和同事們制造的電池遠比之前安全。
不過問題依然存在。首先，朝日化學是一家化學公司而非電池制造商。朝日化學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備。研究人員只制造了粗糙的實驗室原型。
隨后，朝日化學的研究主管栗林功（Isao Kuribayashi）登場，他曾是該電池制造團隊的一員。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)的一個改裝卡車車庫，由一小群博士科學家經(jīng)營，這些科學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、導彈發(fā)射井和井下鉆探平臺等。
于是1986年6月，栗林和同事帶著3個分別裝有陰極、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議上。他們請該公司的聯(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生產(chǎn)。
馬林奇科公司生產(chǎn)一批電池要價3萬美元（相當于今天的8.3萬美元）。兩周后，栗林和同事帶著一盒200個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董事局的抵制，他們還是畏懼進入一個未知的行業(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部門，做了一場關于朝日化學新電池的演示。他拿起一個C型電芯，在會議室的桌子上將電池滾到了該部門的與會代表面前。
栗林并未在書中透露更多細節(jié)，只是簡單地寫道，自己希望通過訪問索尼公司來“確認電池技術”。
然而，索尼公司不僅僅是“確認”了這項技術。根據(jù)該公司歷史記錄，索尼當時正考慮自行開發(fā)可充電鋰電池。看到旭化成的電池時，該公司的高管層意識到了它的巨大價值。索尼公司既是消費電子產(chǎn)品制造商又是電池制造商，因此其管理團隊會從客戶和供應商的角度來理解電池。
時機也恰到好處。索尼公司的工程師正在研發(fā)一款新型便攜式攝像機（后來被稱為數(shù)碼攝像機），這款產(chǎn)品迫切需要更小、更輕的電池。對工程師們而言，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。栗林表示，索尼公司的部分科學家被允許進入旭化成的實驗室，反之亦然。最終，索尼提出合作，但朝日化學拒絕了這一提議。
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相同的基本化學物質(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計變成了產(chǎn)品。在電池工程師吉尾西（Yoshio Nishi）的帶領下，索尼團隊與供應商合作開發(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驗室一項塵封8年的專利——古迪納夫的陰極技術，表示索尼公司有興趣獲得該技術的授權。
哈維爾實驗室的科學家和高管們都摸不著頭腦。他們不理解為什么會有人對“新型快速離子導體電化學電池”的專利感興趣。
當時的英國原子能研究所科學家比爾?麥克林（Bill Macklin）告訴我：“當時還不清楚這個市場會是什么樣子，也不清楚市場會有多大。”一些年長的科學家甚至高聲質(zhì)疑英國原子能研究所與日本公司分享秘密是否合適，因為在二戰(zhàn)中，日本是英國的敵國。不過，雙方最終還是達成了協(xié)議。
1991年，索尼公司推出了這款電池，并將其命名為“鋰離子”這個人們?nèi)缃穸炷茉數(shù)拿?。很快，鋰離子電池開始應用于便攜式攝像機，然后是手機。
此時，距離惠廷漢姆的發(fā)明已經(jīng)過去了19年。很多公司都曾有機會利用這項技術，但最終都以放棄告終。
首先是埃克森公司，該公司的高管做夢也想不到，鋰離子電池最終會讓電動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，?？松艞壌隧椉夹g是在合謀打壓石油能源的挑戰(zhàn)者。但?？松疽苍鴮⒃摷夹g授權給另外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用的牛津大學。
最后是朝日化學，該公司高管層對是否決定進入電池市場猶豫不決。（1993年，朝日化學終于涉足該領域，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)務中獲利最多，雙方的成功均得益于運氣。英國原子能研究所只為一項后來被證明有價值的專利支付了法律費用，卻經(jīng)人提醒才想起自己擁有這項專利。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，索尼公司也幸運地接待了朝日化學的栗林，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）的價格將其電池業(yè)務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位科學家獲得了2019年的諾貝爾化學獎。索尼公司的吉尾西當時已經(jīng)退休，并未入選諾貝爾獎，據(jù)日本每日新聞社報道，他在新聞發(fā)布會上抨擊了這一結果。
回想起來，鋰離子的早期歷史現(xiàn)在看起來像是兩個世界的故事。一個科學的世界，一個商業(yè)的世界，兩者很少重疊。化學家、物理學家和材料學家默默工作，在技術出版物和會議上分享各自的成果。與此同時，商業(yè)世界并未期待科學家的突破，也并未發(fā)現(xiàn)新電池化學技術的潛力，即使是其自己的研究人員取得的進步也未得到重視。
如果不是索尼公司，可充電鋰電池的光芒可能還會被掩蓋多年。幾乎可以肯定的是，這家公司之所以成功，是因為其特殊環(huán)境使它能夠理解并欣賞栗林的原型設計。索尼公司當時已經(jīng)進入了電池行業(yè)，需要為自己的新型攝像機提供更好的電池，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難題的走向，認識到了許多人忽視的事實。正如一個多世紀前路易斯?巴斯德（Louis Pasteur）的名言所說的那樣：“機遇青睞有準備的人。”
鋰離子電池的故事表明，巴斯德說的沒錯。
原標題：鋰離子電池漫長而曲折的誕生之路
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