誰真正發(fā)明了可充電鋰離子電池？

編譯 劉迪一

可充電鋰離子電池誕生于50年前，現(xiàn)在它的價值無人不知，被用于筆記本電腦、手機(jī)、電動工具、電動汽車……它每年的全球銷售額高達(dá)450億美元，并有望在未來10年內(nèi)突破1 000億美元。

然而，這項變革性的發(fā)明歷經(jīng)近20年蟄伏方才走出實驗室——美國、歐洲和亞洲的許多企業(yè)都曾想把握這項技術(shù)，卻把握不住它的巨大潛能。

?？松镜乃固估?? 威廷漢（Stanley Whittingham）等人于1972年開發(fā)出第一款可充電鋰電池。它由?？松∨可a(chǎn)，曾在1977年芝加哥的電動汽車展上露面，并被短暫用作紐扣電池，但未能走遠(yuǎn)，后來這家石油巨頭企業(yè)放棄了它。

吉野彰、約翰 ? 古迪納夫和威廷漢共同獲得2019年諾貝爾化學(xué)獎。當(dāng)時97歲高齡的古迪納夫是歷史上最年長的諾獎得主

世界各地的眾多科學(xué)家都參與了可充電鋰電池研究，但在大約15年時間里，成功的希望很渺茫。直到對的人在對的時間做了對的事，可充電鋰電池才開啟統(tǒng)治世界的旅程。

是埃克森公司發(fā)明了可充電鋰電池嗎？

1970年代初，?？松目茖W(xué)家預(yù)測全球石油產(chǎn)量將于2000年達(dá)到頂峰，然后逐步下降。企業(yè)鼓勵研究人員尋找石油替代品，探索任何與石油無關(guān)的能源。

1972年秋天，年輕的英國化學(xué)家威廷漢加入位于新澤西州的?？松芯抗こ坦?。到圣誕節(jié)時，他開發(fā)出一種以二硫化鈦作正極、使用以鋰鹽為主體的液態(tài)電解質(zhì)、由鋰鹽提供鋰離子實現(xiàn)充放電的電池。

威廷漢的創(chuàng)新電池不同于此前所有電池。它的充電原理是將鋰離子傳輸并插入主體電極材料的原子晶格中，即所謂的“嵌入”。該電池的性能也可謂前所未見：既可充電，又具備非常高的能量輸出。要知道那時最好的蓄電池是鎳鎘電池，最大輸出電壓僅有1.3伏，而威廷漢團(tuán)隊的電化學(xué)杰作能產(chǎn)生驚人的2.4伏電壓。

1973年冬天，?？松慕?jīng)理們將威廷漢召至公司位于紐約的辦公室，出席?？松聲男〗M委員會會議。威廷漢后來表示：“我進(jìn)去解釋了一遍，用時最多10分鐘。然后不到一周，他們就說想要投資這個發(fā)明。”

這看起來是一樁大事件，有可能改變世界的大事件。威廷漢在《科學(xué)》（Science）雜志上發(fā)表了一篇論文。?？松_始生產(chǎn)紐扣鋰電池，瑞士手表制造商Ebauches將這些電池用于太陽能充電手表。

但到了1970年代末，埃克森對石油替代品的興趣已經(jīng)減弱。此外，公司高管認(rèn)為威廷漢的概念不太可能獲得廣泛成功。他們放棄了二硫化鈦鋰離子電池，并將該技術(shù)授權(quán)給了三個電池公司——分別位于亞洲、歐洲和美國。

威廷漢如此說道：“我理解他們這樣做的理由。市場還不夠大。我們的發(fā)明出現(xiàn)得太早了?！?/p>

?？松就h等人1972年的發(fā)明是首個嵌入型鋰離子電池，以二硫化鈦作正極，金屬鋰作負(fù)極

1980年，古迪納夫和水島公一改進(jìn)威廷漢的設(shè)計，用氧化鋰鈷取代二硫化鈦作為電池正極

牛津接棒

牛津大學(xué)的約翰 ? 古迪納夫（John Goodenough）接棒了威廷漢。他很熟悉威廷漢的工作——后者于1978年發(fā)表的論文《嵌入化合物的化學(xué)：硫族化物主體中的金屬客體》（ChemistryofIntercalationCompounds:MetalGuestsin ChalcogenideHosts）讓古迪納夫相信電池研究的前沿是鋰。

古迪納夫和日本學(xué)者水島公一（Koichi Mizushima）開始研究嵌入型鋰電池。到1980年，他們改進(jìn)威廷漢的設(shè)計，用氧化鋰鈷取代二硫化鈦。新電池的電壓相較老電池提升2/3，達(dá)到了4伏。

1976 年，古迪納夫加入牛津大學(xué)，領(lǐng)導(dǎo)第一個氧化鋰鈷正極的開發(fā)

古迪納夫在出版于20 08年的回憶錄《見證恩典》（WitnesstoGrace）中回憶道，他曾寫信給美國、英國和歐洲的電池公司，希望找到企業(yè)合作伙伴，但沒人接受他。

此外，他還要求牛津大學(xué)支付專利費用，但被后者拒絕。與當(dāng)時許多大學(xué)一樣，牛津并不關(guān)心知識產(chǎn)權(quán)，認(rèn)為只有商業(yè)世界才考慮此類問題。

盡管如此，古迪納夫?qū)ζ潆姵嘏浞饺匀怀錆M信心。他參觀了原子能研究機(jī)構(gòu)（AERE）。AERE是一個政府實驗室，位于距牛津約20公里的哈韋爾。該實驗室同意為古迪納夫的專利提供資金，但前提是這位59歲的科學(xué)家放棄自己的收益權(quán)，古迪納夫答應(yīng)了。AERE實驗室于1981年獲得專利，而古迪納夫從未拿到一分錢收益。

對AERE而言，鋰電池專利是一筆飛來橫財。他們沒開展任何研究，卻手握一份價值天文數(shù)字的未來配方。不過實驗室的管理人員并未預(yù)見未來。他們把專利歸檔，并忘記了它的存在。

旭化成挺身而出

可充電鋰電池的第三位先驅(qū)是日本旭化成公司的化學(xué)家吉野彰（Akira Yoshino）。1982年，32歲的吉野嘗試在電池中使用由導(dǎo)電聚乙炔（塑料）制成的負(fù)極，并尋找能與之配對的正極。吉野在其自傳《鋰離子電池打開未來之門，發(fā)明家隱藏的故事》（Lithium-IonBatteriesOpentheDoorto theFuture,HiddenStoriesbytheInventor）中回憶道，1982年的最后一天，他在清理辦公桌時發(fā)現(xiàn)了一篇由古迪納夫于1980年與人合著的技術(shù)論文。這篇論文介紹了一種氧化鋰鈷正極。那么，它能與塑料負(fù)極配合使用嗎？

吉野和同事將古迪納夫設(shè)計的正極與塑料以及其他各種材料（大多由不同類型的碳組成）負(fù)極配對。最終，他們選擇了由石油焦制成的碳基負(fù)極。

1980年代末，吉野彰將古迪納夫的正極與石油焦負(fù)極結(jié)合，開發(fā)出新型可充電鋰電池

事實證明，選擇石油焦是鋰電池發(fā)展史上的關(guān)鍵一步。威廷漢和古迪納夫使用的負(fù)極由金屬鋰制成，這種材料具有揮發(fā)性，存在安全隱患。通過改用碳，吉野團(tuán)隊顯著提高了電池安全性。

不過旭化成是一家化學(xué)公司，而非電池制造商，他們根本不知道如何以商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)電池。此外，公司也沒有制造電池所需的涂層和卷繞設(shè)備。研發(fā)團(tuán)隊只是簡單創(chuàng)建了一個粗糙的實驗室原型。

栗林功（Isao Kuribayashi）是旭化成的研究主管，也是電池制造團(tuán)隊的一員。他在自己的著作《無名電池有不為人知的故事》（ANamelessBatterywithUntoldStories）中講述了他和同事在美國尋找電池顧問的故事。有位顧問推薦了電池工程公司，這是一家位于波士頓海德公園一個改裝卡車車庫的公司，由一小群博士創(chuàng)辦運營，里面藏著能打造非凡電池的專家。他們的電池被廣泛用于各種機(jī)器，包括戰(zhàn)斗機(jī)、導(dǎo)彈發(fā)射井和井下鉆機(jī)。

因此，栗林和同事于1986年6月飛往波士頓，造訪電池工程公司，并帶去了三罐漿料——一罐裝正極材料，一罐放負(fù)極材料，還有一罐是電解質(zhì)。他們向企業(yè)的創(chuàng)始人之一尼古拉 ? 馬林西奇（Nikola Marincic）提出要求：把罐里的漿料轉(zhuǎn)化成能為人們?nèi)粘Ｉ罘?wù)的電池。

馬林西奇在2020年的一次采訪中表示，當(dāng)時栗林等人沒說是誰派他們來的，自己也沒想問這些問題。

栗林和同事還要求馬林西奇不向任何人透露他們的電池，就連馬林西奇的員工也直到2020年才知道自己參與了世界上第一批試生產(chǎn)鋰離子電池的創(chuàng)建。

當(dāng)時馬林西奇生產(chǎn)一批電池的費用為30 000美元（相當(dāng)于今天的83 000美元）。兩周后，栗林和同事帶著一箱（200塊）2號電池返回日本。

然而，即便手握可用電池，栗林仍遭到旭化成董事的阻力，因為后者對這一未知行業(yè)充滿疑慮。

索尼加入競逐

栗林不愿放棄。1987年1月21日，他參觀索尼公司的攝像機(jī)部門，并介紹了旭化成的新型電池。他將其中一塊2號電池沿會議室桌子滾到東道主面前。

關(guān)于此次索尼之行，栗林并未在書中透露更多細(xì)節(jié)，只是簡要寫道，他希望通過訪問索尼，確認(rèn)電池技術(shù)。

而索尼方面所做的不僅僅是“確認(rèn)”。翻閱歷史可知，彼時索尼正考慮開發(fā)自己的可充電鋰電池。公司高管看到旭化成的電池后，意識到其中蘊(yùn)藏巨大價值。索尼既是消費電子產(chǎn)品制造商，又生產(chǎn)電池，因此其管理團(tuán)隊能同時從客戶和供應(yīng)商的角度來理解電池。

時機(jī)非常完美。索尼工程師正開發(fā)一款新型便攜式攝像機(jī)，迫切需要更小巧、更輕盈的電池，對他們而言，栗林送來的電池簡直就是上天饋贈。

隨后進(jìn)行了幾場會議。栗林表示，索尼和旭化成都允許對方科學(xué)家進(jìn)入自己實驗室。最終，索尼提出建立合作伙伴關(guān)系，旭化成的股價下跌。

行至此處，鋰離子電池的商業(yè)化之路變得迷離了。索尼研究團(tuán)隊繼續(xù)致力可充電鋰電池的研制，所用化學(xué)物質(zhì)號稱自主發(fā)明（至少后來索尼公司的歷史是這么寫的）。不過電池的基本化學(xué)配方與旭化成的相同：正極為氧化鋰鈷，負(fù)極為石油焦，液態(tài)電解質(zhì)含鋰離子。

接下來的1987年至1989年，索尼工程師付出艱苦努力，將粗糙原型轉(zhuǎn)化為真正的產(chǎn)品。在電池工程師吉尾西（Yoshio Nishi）的領(lǐng)導(dǎo)下，索尼團(tuán)隊與供應(yīng)商合作開發(fā)粘合劑、電解質(zhì)、隔膜和添加劑，創(chuàng)制用于負(fù)極熱處理和大批量制造正極粉末的內(nèi)部工藝。他們打造了真正的商業(yè)產(chǎn)品。

1989年，索尼一位高管致電AERE，詢問塵封了八年的專利，也就是古迪納夫的正極配方。他表示索尼有興趣獲得關(guān)于該技術(shù)的授權(quán)。

而AERE的科學(xué)家和管理人員則對此感到不解。他們無法想象為什么有人會對“具有新型快離子導(dǎo)體的電化學(xué)電池”專利感興趣。

當(dāng)時任職于AERE的科學(xué)家比爾 ? 麥克林（Bill Macklin）后來表示：“那會兒我們不清楚市場會變得怎樣，規(guī)模會有多大?！币恍┠觊L的專家甚至大聲質(zhì)疑——英國的一家原子能實驗室與來自第二次世界大戰(zhàn)敵國日本的一家公司分享秘密是否合適。不過，合作協(xié)議最終還是達(dá)成了。

古迪納夫和水島公一說服原子能研究機(jī)構(gòu)為其氧化鋰鈷電池的專利提供資金，代價則是放棄自己的收益權(quán)

索尼終獲成功

索尼于1991年推出了引領(lǐng)時代的新電池，并冠以“鋰離子”之名。它很快進(jìn)入了便攜式攝像機(jī)，然后應(yīng)用于手機(jī)。

此時距離威廷漢的發(fā)明已過去19年。多個機(jī)構(gòu)曾有機(jī)會把握這項技術(shù)，卻都放棄了機(jī)遇。

第一個錯失良機(jī)者是?？松?。這家公司的高管們做夢都想不到鋰離子電池最終能推動電動汽車與燃油車分庭抗禮。后來一些觀察人士認(rèn)為，?？松苑艞墑潟r代技術(shù)，意在將可能挑戰(zhàn)石油的希望扼殺于搖籃。但這種觀點缺乏說服力，因為埃克森把該技術(shù)授權(quán)給了另外三家公司，不過無人成功。

?？松?，牛津大學(xué)也以拒絕支付專利費用的方式拒絕了引領(lǐng)時代。

最后是旭化成。該公司的高管們在決定是否進(jìn)入電池市場時痛苦掙扎。（旭化成最終于1993年涉足電池領(lǐng)域，與東芝合作生產(chǎn)鋰離子電池。）

索尼和AERE這兩個幸運兒因電池獲利最多。AERE只為一項不受認(rèn)可的專利支付了費用，多年后在他人提醒下才記起自己擁有該專利。AERE從專利中獲得的利潤不得而知，但大多數(shù)觀察人士認(rèn)為，在專利到期前，AERE獲利至少5 000萬美元，甚至可能超過1億美元。

另一方面，索尼因為旭化成栗林等人的偶然造訪，走上了商業(yè)化道路。索尼售出幾千萬塊電池，然后將AERE專利轉(zhuǎn)授權(quán)給眾多亞洲的電池制造商，從而賺入數(shù)十億美元。2016年，索尼以175億日元的價格將其電池業(yè)務(wù)出售給日本電子元器件制造商村田制作所。

可充電鋰離子電池的三位先驅(qū)——威廷漢、古迪納夫和吉野彰——都沒能從巨量利潤中分得一杯羹。不過三人共同獲得了2019年諾貝爾化學(xué)獎。根據(jù)新聞報道，已經(jīng)退休的吉尾西對于自己沒被列入諾貝爾獎名單表達(dá)了不滿。

鋰離子電池的早期歷史可以分割成兩面，一面是科學(xué)世界，另一面是商業(yè)世界，兩個世界幾乎沒交集?；瘜W(xué)家、物理學(xué)家和材料學(xué)家沉浸于科研，在論文和會議上分享成果。商業(yè)界不指望大學(xué)教授取得突破，也不認(rèn)為這種新電池有多少化學(xué)潛力，甚至不覺得自己的研發(fā)團(tuán)隊能搞出名堂來。

如果沒有索尼，可充電鋰離子電池可能還要沉寂許久。幾乎可以肯定的是，索尼公司之所以成功，原因在于它特殊的情況使其能理解和欣賞栗林的原型產(chǎn)品。索尼當(dāng)時已涉足電池業(yè)務(wù)，需為新型攝像機(jī)提供更好的電池，也一直在考慮開發(fā)自己的可充電鋰電池。公司的工程師和經(jīng)理們清楚知道自己要什么，知道被其他人忽視的價值所在。

路易斯 ? 巴斯德（Louis Pasteur）曾說：“機(jī)會總是留給有準(zhǔn)備的人?！变囯x子電池的故事證明巴斯德所言非虛。

資料來源IEEESpectrum