镍镉电池内部 锂离子电池漫长而曲折的诞生之路
可充电锂离子电池发明 50 年后，其价值已得到证实。它被用在无数笔记本电脑、手机、电动工具和汽车中，全球销售额每年超过 450 亿美元，预计未来十年将超过 1000 亿美元。
然而，这项变革性的发明花了近二十年的时间才走出实验室，尽管美国、欧洲和亚洲的多家公司都考虑过这项技术，但未能意识到它的潜力。
1972 年，埃克森公司的 M. 开发了锂离子电池的早期版本，但没能持续多久。埃克森公司小批量生产了这种电池，并于 1977 年在芝加哥的一次电动汽车展上展出，当时它曾短暂地用作纽扣电池。但随后埃克森公司放弃了该产品。
全球各地的科学家开始研究这项技术，但近15年都未能成功。直到最后，一家合适的公司在合适的时机研发成功，并最终踏上了征服电池世界的道路。
20 世纪 70 年代初，埃克森公司的科学家预测全球石油产量将在 2000 年达到顶峰，然后开始稳步下降。该公司鼓励研究人员寻找石油替代品，并开发与石油无关的所有形式的能源。
1972 年秋，新泽西州埃克森研究与工程公司一位名叫约翰·惠廷汉姆的年轻英国化学家加入了这一努力。到圣诞节前夕，他已经开发出一种以二硫化钛为阴极、以锂离子为电解质的电池。
惠廷汉姆的电池与之前的任何电池都不同。它的工作原理是将离子插入电极材料主体的原子晶格中，这一过程称为插层。它的特性也是前所未有的：它既可充电，又具有高能量输出。在此之前，最好的可充电电池是镍镉电池，其最大输出电压为 1.3 伏。相比之下，惠廷汉姆的新电池化学成分输出高达 2.4 伏。
1973 年冬天，他的经理把惠廷汉姆叫到公司纽约办公室，让他出席埃克森美孚董事会的一个小组委员会。“我进去做了陈述——五分钟，最多十分钟，”惠廷汉姆在 2020 年 1 月告诉我。“一周之内，他们就说，是的，他们想投资这个项目。”
这似乎是一件大事的开始。惠廷汉姆在《科学》杂志上发表了他的论文；埃克森美孚开始生产锂纽扣电池，瑞士钟表制造商将其用于太阳能手表。
但到了 20 世纪 70 年代末，埃克森对石油替代品的兴趣逐渐消退。此外，公司高管认为惠廷汉姆的理念不太可能获得广泛成功。他们放弃了二硫化钛锂电池技术，并将其授权给亚洲、欧洲和美国的三家电池公司。
“我理解公司这样做的原因，”惠廷汉姆说。“市场不够大。我们的发明太先进了。”
这是可充电锂电池的众多失败尝试中的第一次。下一位接过接力棒的科学家是牛津大学的约翰·B·古迪纳夫。古迪纳夫熟悉惠廷汉姆的工作，部分原因是惠廷汉姆在牛津大学获得了博士学位。1978 年，惠廷汉姆发表了一篇题为“插层化合物的化学：硫主体中的金属客体”的论文，这篇论文让古迪纳夫相信锂是电池研究的前沿。（古迪纳夫于 2023 年 6 月 25 日去世，享年 100 岁。）
古迪纳夫和同事水岛光一开始研究嵌入式锂电池。1980 年，两人改进了惠廷汉姆的设计，用钴酸锂代替了二硫化钛。新化学成分将电池电压提高了三分之二，达到 4 伏。
古迪纳夫在 2008 年出版的回忆录《致格蕾丝》中回忆道，他曾写信给美国、英国和欧洲大陆的电池公司，希望找到合作伙伴。但未能如愿。
古迪纳夫还要求牛津大学支付专利费用，但牛津大学拒绝了。与当时的许多大学一样，牛津大学不愿涉足知识产权领域，认为这类问题仅限于商业领域。
尽管如此，古迪纳夫对他的电池化学技术还是很有信心的。他参观了英国原子能研究机构（AERE），这是位于哈威尔的一家政府实验室，距离牛津约 20 公里。该实验室同意资助他的专利，前提是这位 59 岁的科学家和他的共同发明人水岛签署协议，放弃他们的财务权利。两人同意了这笔交易。该实验室于 1981 年获得了专利；古迪纳夫从未从原始电池中获得任何收益。
这或许是英国原子能研究所最大的意外收获。它之前没有做过任何研究，现在却拥有了一项价值天文数字的专利。但实验室的管理人员没有预见到这一点。专利申请后，管理人员将其搁置了。
下一个提出可充电锂电池的人是日本朝日化学公司的 34 岁化学家吉野彰。吉野开始独立研究在电池中使用塑料阳极（由导电聚乙炔制成），并寻找与之匹配的阴极。吉野在自传《发明家的锂离子打开未来之门》中回忆道，1982 年的最后一天，他在整理书桌时发现了一篇 1980 年的技术论文，古迪纳夫是其合著者。这篇论文介绍了一种钴酸锂阴极，吉野在收到文章后一直没有时间阅读。这种阴极可以与他的塑料阳极结合使用吗？
吉野和一些同事将古迪纳夫的阴极与塑料阳极配对。他们还尝试将阴极与各种其他阳极材料配对，其中大部分是由不同类型的碳制成的。最终，他和他的同事们选择了由石油焦制成的碳基阳极。
选择石油焦是一项重大进步。惠廷汉姆和古迪纳夫使用的阳极是由金属锂制成的，锂易挥发，甚至很危险。通过改用碳基材料，吉野和他的同事们制造出了一种比以前安全得多的电池。
但问题仍然存在。首先，朝日化学是一家化学公司，而不是电池制造商。朝日化学没有人知道如何大规模生产电池，而且该公司没有生产电池所需的涂层或卷绕设备。研究人员只制造了粗糙的实验室原型。
随后，朝日化学公司的研究主管、电池制造团队的成员栗林功（Isao ）出场。栗林功在《不为人知的故事》一书中讲述了他和同事在美国寻找顾问帮助制造电池的过程。一位顾问推荐了一家名为“电池工程”的小公司，该公司位于波士顿海德公园区一个改建的卡车车库里，由一小群博士科学家经营，他们是制造特殊电池的专家。他们制造的电池用途广泛，包括战斗机、导弹发射井和地下钻井平台。
于是，1986 年 6 月，栗林和他的同事带着三罐阴极、阳极和电解质浆料飞往波士顿，参加了电池工程会议。他们请公司的联合创始人尼古拉·马林奇科将这些浆料制成圆柱形电池，就像你可以买到的手电筒一样。
“他们说：‘如果你想制造电池，就别问问题了，’”马林奇科在 2020 年的一次采访中告诉我。“他们没有告诉我是谁送来的这些东西，我也不想问。”
栗林和同事们还要求马林奇科不要告诉任何人有关他们的电池的事情。直到 2020 年，就连马林奇科的员工都不知道他们参与了世界上第一批锂离子电池的预生产。
马林奇科的一批电池售价为 30,000 美元（约合今天的 83,000 美元），两周后，栗林和他的同事带着一箱 200 块 C 型电池前往日本。
然而，即使手中有了可以正常工作的电池，栗林还是遭遇了朝日化学董事会的抵制，董事会对进入一个未知的行业持谨慎态度。
栗林并不打算放弃。1987 年 1 月 21 日，他来到索尼的摄像机部门，演示了朝日化学的新电池。他拿起一节 C 型电池，在部门代表面前的会议室桌子上滚动。
栗林在书中没有透露太多细节，只是写道，他希望通过参观索尼“确认电池技术”。
然而，索尼所做的不仅仅是“确认”这项技术。根据公司记录，索尼当时正在考虑开发自己的可充电锂离子电池。当公司高管看到朝日的电池时，他们意识到了它的巨大价值。索尼既是消费电子产品制造商，也是电池制造商，因此其管理团队从客户和供应商的角度了解电池。
时机也恰到好处。索尼工程师当时正在研发一种新型摄像机（后来被称为数码摄像机），这种摄像机迫切需要更小、更轻的电池。对他们来说，栗林展示的电池似乎是天赐之物。
随后举行了几次会议，栗林说，索尼的一些科学家被允许进入旭化成的实验室，反之亦然。最终，索尼提出了合作，但旭化成拒绝了这一提议。
从那时起，锂离子电池的商业化道路就变得不明朗了。索尼的研究人员继续致力于开发可充电锂电池，并在公司历史上声称，该过程中使用的化学品是公司内部生产的。但索尼的电池使用的基本化学成分与朝日化学的相同。阴极是钴酸锂；阳极是石油焦；电解质含有锂离子。
可以肯定的是，索尼工程师在 1987 年至 1989 年的两年间付出了艰苦的努力，将一个粗糙的原型变成了产品。在电池工程师西吉雄的带领下，索尼团队与供应商合作开发了粘合剂、电解质、隔膜和添加剂。他们开发了自己的阳极热处理工艺和阴极粉末的量产工艺。值得称赞的是，他们创造了真正的商业产品。
此时，只剩最后一步了。1989 年，索尼的一位高管致电英国哈威尔原子能研究所。这位高管询问了一项在实验室中搁置了八年的专利——古迪纳夫的阴极技术，并表达了索尼对该技术授权的兴趣。
哈威尔实验室的科学家和高管们都百思不得其解。他们无法理解为什么有人会对“新型快速离子导体电化学电池”的专利感兴趣。
“当时还不清楚市场是什么样子，也不清楚市场有多大，”当时在英国原子能研究所工作的科学家比尔·麦克莱恩告诉我。一些老一辈的科学家甚至大声质疑，英国原子能研究所与一家日本公司分享机密是否合适，因为日本在二战期间是英国的敌人。但双方最终达成了协议。
1991 年，索尼推出了这种电池，并给它取了现在熟悉的名字“锂离子”，这种电池很快就被用在摄像机和手机中。
此时，距离惠廷汉姆的发明已经过去了19年，许多公司都有机会使用这项技术，但最终都放弃了。
首先是埃克森美孚，该公司的高管们做梦也没有想到锂离子电池最终会让电动汽车与石油驱动的汽车展开激烈竞争。一些观察人士后来表示，埃克森美孚放弃这项技术是图谋压制竞争对手。但埃克森美孚还将这项技术授权给其他三家公司，但均未成功。
还有牛津大学，拒绝支付专利费。
最后还有朝日化学，其高管对于是否进入电池市场犹豫不决。（朝日化学最终于 1993 年进入该领域，与东芝合作生产锂离子电池。）
索尼和英国原子能研究所 (UKAEI) 是电池业务中获利最多的公司，两家公司的成功都归功于运气。UKAEI 只为一项后来被证明很有价值的专利支付了律师费，但被提醒说它拥有这项专利。虽然目前尚不清楚 UKAEI 从这项专利中赚了多少钱，但大多数观察家认为，在专利到期前，它至少赚了 5000 万美元，可能超过 1 亿美元。
索尼还幸运地获得了朝日化学的栗林一郎的支持，这让索尼走上了电池商业化的道路。索尼销售了数千万块电池，然后将英国原子能研究所的专利再授权给其他 20 多家亚洲电池制造商，这些制造商又生产了数十亿块电池。2016 年，索尼以 175 亿日元（约合今天的 1.26 亿美元）的价格将其电池业务出售给日本村田制作所。
惠廷汉姆、古迪纳夫和吉野三名原始研究人员均未获得利润分成。然而，这三位科学家获得了2019年诺贝尔化学奖。据《每日新闻》报道，当时已退休且未获诺贝尔奖的索尼公司总裁西芳雄在新闻发布会上猛烈抨击了这一结果。
回想起来，锂离子的早期历史现在看起来就像两个世界的故事。一个是科学，一个是商业，两者几乎没有重叠。化学家、物理学家和材料科学家默默无闻地辛勤工作，在技术出版物和会议上分享他们的发现。与此同时，商业界没有预见到科学家的突破，也没有看到新电池化学的潜力，甚至连其研究人员取得的进展都被忽视了。
如果不是索尼，可充电锂电池可能多年都无人知晓。该公司几乎肯定能成功，因为它所处的境况让它能够理解和欣赏栗林的原型。索尼当时已经涉足电池业务，需要为其新摄像机提供更好的电池，并一直在尝试开发自己的可充电锂电池。索尼的工程师和高管清楚地知道这个难题的走向，认识到许多其他人错过的事实。正如路易斯·巴斯德一个多世纪前的名言：“机会眷顾有准备的人。”
锂离子电池的故事证明巴斯德是正确的。