锂离子电池|主导全球锂电池市场,就意味着中国掌握了核心技术吗?( 二 )


2/锂电“摇篮”
全球锂电池技术发展早有迹可循 。 上世纪七十年代初 , 为了应对石油危机 , 石油巨头埃克森在美国新泽西州组建起一家研究实验室 , 招揽了大批物理和化学界顶级人才 , 其中包括斯坦福大学固态电化学博士后斯坦利·惠廷汉姆 。 其目标是重构一套全新的能源解决方案 , 即研发新一代二次充电电池 。
与此同时 , 贝尔实验室也成立了一个由斯坦福大学化学家和物理学家组成的研究小组 。 双方在下一代电池的研发上 , 展开了极为激烈的竞争 , 甚至只要是研究相关的 , “钱都不是问题” 。 而在经历近五年极为保密的研究之后 , 惠廷汉姆和他的团队 , 首先研制成功出世界上第一块可充电的锂离子电池 。
这款锂电池创造性采用硫化钛作正极材料 , 金属锂作负极材料 , 具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点 , 同时摒弃以前电池的缺点 , 可以说是一次质的飞跃 。 1976年 , 埃克森申请了全球第一个锂电池发明专利 , 但却没有从产业化中受益 。 不过 , 这并不影响惠廷汉姆的“锂电之父”声誉和江湖地位 。
虽然惠廷汉姆的发明让业界振奋 , 但电池充电燃烧和内部粉碎又极大地困扰着团队 , 其中便包括古迪纳夫 。 因此 , 他和两名博士后助手 , 系统性地围绕元素周期表继续探索 。 1980年 , 他们最终确定最佳材料是钴 。 而可用于锂离子电池正极的钴酸锂 , 性能远远优于当时的任何材料 , 迅速占领了市场 。
自此 , 人类的电池技术向前迈出实质性的一大步 。 而如果没有钴酸锂会怎样?简单说 , 曾经的“大哥大”为什么会那么大那么重?就是因为没有用钴酸锂电池 。 不过 , 虽然钴酸锂电池有许多优势 , 但在规模应用后缺点也不断暴露出来 , 其中包括成本过高、抗过充和循环性能差 , 以及废弃污染严重等 。
于是 , 古迪纳夫和和他的学生迈克·萨克雷继续寻找更好的材料 。 1982年 , 萨克雷发明了一种开创性的锰酸锂电池 。 但很快 , 他跳到阿贡国家实验室(ANL)任职 , 专职锂电池研究 。 而古迪纳夫和团队继续寻找可替代材料 , 并通过再次系统地调换周期表的各种金属元素 , 将名单缩小到铁和磷的组合 。
最终 , 铁和磷没有形成团队想要的构型 , 但却无心插柳地组成了另一种结构:即继钴酸锂、锰酸锂之后 , 锂离子电池的第三种正极材料正式诞生:磷酸铁锂 。 因此 , 三种最重要的锂离子电池正极 , 全部诞生自古迪纳夫的实验室 。 而这里也成为世界锂电池摇篮 , 先后诞生了上述两位诺贝尔奖化学家 。
1996年 , 德州大学代表古迪纳夫的实验室申请了专利 。 这是磷酸铁锂电池的第一个基础专利 。 此后 , 法国锂电科学家米歇尔·阿尔芒也加入团队 , 并与迪纳夫共同申请了磷酸铁锂包碳技术的专利 , 成为第二个磷酸铁锂基础专利 。 而这两项专利 , 是磷酸铁锂技术路线无论如何都无法绕行的核心专利 。
3/技术转移
随着技术应用推进 , 钴酸锂电池的负极出现一个亟待解决的问题 , 因而并没有被迅速产业化 。 当时锂电池的负极材料使用的是锂金属 , 虽然可以提供相当高的能量密度 , 但是存在着很大问题 , 其中包括负极材料逐渐粉末化最终失去活性 , 以及长出的锂枝晶可能刺穿隔膜导致电池短路甚至燃烧爆炸等 。
在问题非常棘手时 , 日本人登场了 。 索尼也早就在着手研发布局锂电池 , 并密切关注全球动态 , 但没有资料显示是何时从何处获得钴酸锂技术的 。 1991年 , 索尼发布了人类历史上第一个商用锂离子电池 , 并把几节钴酸锂圆柱形电池装进最新款的CCD-TR1摄像机里 。 自此 , 世界消费类电子产品的面貌被改写 。

锂离子电池|主导全球锂电池市场,就意味着中国掌握了核心技术吗?
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吉野彰
做出这项重要决定的是吉野彰 。 他开创性的用碳(石墨)代替金属锂作为锂电池的负极 , 并结合钴酸锂正极 。 这从根本上改善了锂电池容量、循环寿命 , 并降低了成本 , 为锂电池的产业化助攻了最后一把力 。 此后 , 中国、韩国企业相继涌入锂电池产业浪潮 , 新能源科技(ATL)等就是在这时建立 。
而由于涉及技术被窃 , 由德州大学及部分企业发起的“维权联盟”在全球范围内四处挥剑 , 造成了牵涉多个国家和公司的磷酸铁锂专利混战 。 而当人们仍认为磷酸铁锂是最合适的动力电池时 , 一种结合了镍酸锂、钴酸锂和锰酸锂三者优点的全新正极材料体系 , 已经在加拿大的一家实验室里悄然诞生 。