[电池完全征服]③搭载“梦想电池”的索尼摄像机……多亏实验室迎来“救世主”

阿斯ahi Kasei商品化受阻之际
索尼突然发布锂离子电池
英国原子能研究所亦大量收购相关专利
编者按当下是电池时代。手机、笔记本电脑、电动汽车等几乎所有地方都在使用电池。[电池完全征服]栏目是为了一般想了解电池的读者、学生,以及关注电池产业和相关企业的投资者,通俗易懂地介绍电池基础知识和生态体系、企业信息、产业走势与前景而设立的。每周六报道,连载结束后将结集出版。
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Jeff Dahn教授与Moli Energy

在Asahi Kasei的研究员Yoshino Kazuo开发出采用钴酸锂和石油焦的二次电池之后,人们又等了好几年,锂离子电池才真正面世。如今,众多协作企业供应材料,通过各种制造工艺生产锂离子电池。但在当时,还没有人知道该如何将这种新型二次电池实现量产。


更何况,开发出这项技术的Asahi Kasei只是一家从未生产过二次电池的小型化学公司,既没有电池制造所需的涂布设备,也没有卷绕设备。材料和设备都得一件件自行采购。在这种情况下,他们只能勉强做出粗糙形态的试制品。


就在Asahi Kasei苦战之际,第一家实现锂二次电池商业化的企业出现了,这就是加拿大的Moli Energy公司。Moli Energy开发的Molicel,正极采用二硫化钼,负极采用金属锂,电压为2.2伏。Moli Energy的第一家客户是日本大型通信公司NTT。NTT在1988年推出了可称为日本首款手机的TZ-802,其中就搭载了Moli Energy的二次电池。


结果并不理想。1989年8月,TZ-802发生起火事故,导致用户烧伤。调查结果显示,起火原因在于Molicel,电池内部短路引发爆炸。利用金属锂的二次电池所固有的枝晶问题依然没有得到克服。供应给NTT的1万只二次电池全部被召回。Moli Energy难以继续经营,只得进入司法重整程序。


Jeff Dann 教授(图片来源 达尔豪斯大学)

Jeff Dann 教授(图片来源 达尔豪斯大学)

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主导该产品开发与商业化的是出身于英属哥伦比亚大学、备受期待的年轻科学家Jeff Dahn。此后,Dahn博士持续开展二次电池研究,为二次电池发展作出了巨大贡献。他目前是加拿大达尔豪斯大学教授,被视为锂离子电池领域的权威,自2016年起担任特斯拉的研究合作伙伴。然而,他并未进入2019年公布的诺贝尔化学奖名单。


Moli Energy进入司法管理后,以500万加元价格被出售给日本技术企业财团,并于1994年将公司名称改为Nippon Moli Energy。1998年又与台湾的E-One合并,发展为现在的E-One Moli Energy。尽管早期产品失败,但凭借在二次电池领域积累的技术实力,Moli Energy得以重新崛起。E-One Moli Energy至今仍以“Molicel”之名生产电池。


Molicel爆炸事故令Asahi Kasei的研究人员更加缩手缩脚。人们要求对爆炸与安全性进行彻底验证。更重要的是,当时他们还不知道这种新产品可以用在何处。在没有任何买家愿意主动下单的情况下,时间就这样一天天过去了。


就在这时,1991年索尼突然宣布实现锂离子电池商业化。这是全球首款成功商品化的锂离子电池。


Asahi Kasei上下为之震动。根据Yoshino博士的著作,索尼此前一直与Asahi Kasei共同开发用于8毫米摄像机的锂离子电池。然而,索尼却率先将锂离子电池推向市场,Asahi Kasei自然感到非常错愕。


Asahi Kasei的研究人员立即拿到索尼的电池展开调查。结果发现,正极采用的是钴酸锂,负极采用的是碳材料,与Yoshino博士开发的产品完全相同。此后,Asahi Kasei放弃了二次电池的自主开发,转而与东芝成立合资公司。


第一回合的最终胜者:索尼

关于索尼如何能比Asahi Kasei更早实现锂离子电池商业化,目前尚无明确记录。不过,索尼似乎已经妥善解决了专利问题。自索尼将锂离子电池商业化之后,并未爆发专利纠纷。Yoshino博士也在其著作中干脆承认:“虽然我不知道锂离子电池在索尼公司内部是通过怎样的过程开发出来的,但世界上第一个将锂离子电池实现商业化的企业无疑是索尼。”


另一位曾任Asahi Kasei研究高管的Isao Kuribayashi在其著作中表示,索尼与Asahi Kasei在早期确实开展了紧密合作。Asahi Kasei的员工在拜访客户的过程中,于1987年10月某天造访了索尼的摄像机业务部门,希望展示他们开发的锂离子电池试制品。据称,当时索尼的科学家可以自由出入Asahi Kasei的实验室,反之亦然。


Sori锂离子电池样品

Sori锂离子电池样品

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当时索尼在自研电池方面正饱受困扰。索尼早在1975年就与美国的Union Carbide公司成立合资企业Sony-Eveready,开发可充电电池。1986年,在Union Carbide出售电池事业部后,索尼又成立了Sony Energytec公司,继续独立推进电池开发。


索尼之所以如此重视电池,是为了在自家电子产品中搭载自主开发的电池,以此产生协同效应,这是一种垂直一体化战略。尤其是索尼迫切需要用于自家摄像机的可充电电池。在VHS与Betamax标准大战中败北的索尼,将全部赌注押在8毫米摄像机上。当时摄像机使用的是镍镉电池。索尼希望采用性能优于镍镉电池的下一代电池,推出更为小巧的摄像机。


就在这时,Asahi Kasei的研究人员带着锂离子电池试制品前来演示,这正是索尼苦苦寻找的产品。索尼内部恐怕暗自欢呼。


然而,在索尼官网的公司沿革中,只写着Sony Energytec的研究人员经过多次反复试验,最终将锂离子电池实现商业化,对与Asahi Kasei的关联只字未提。索尼所描述的首款锂离子电池开发过程如下:


“最初批准了6个不同的研究项目,在每月的会议上对它们进行评估,并逐一淘汰。那个团队为了寻找‘梦想中的电池’反复试错。最终,有一位研究员高兴地喊道:‘我们成功了!’”


英国原子能研究所与此有何关系?

不过,索尼也非常清楚,这项技术并非完全出自自身。特别是用作正极材料的钴酸锂,是John Goodenough教授的发现。索尼在宣布商业化之前,必须先解决专利问题。


这时,索尼找到的并不是Goodenough教授,而是英国原子能研究所AERE(Atomic Energy Research Establishment)。当Goodenough教授在牛津大学研究钴酸锂时,曾接受AERE的研究经费资助,并将专利权全部转让给AERE。当时无论是AERE还是Goodenough教授,都尚未意识到这一专利的商业价值。


结果,AERE虽然对二次电池几乎没有任何贡献,却从索尼处获取了丰厚的专利使用费。据推测,AERE在该专利到期前共获得了5000万至1亿美元(约663亿至1327亿韩元)的专利费,而Goodenough本人却分文未得。


索尼的首款锂离子电池最先搭载在型号为“CCD-TR1”的8毫米摄像机上。与既有二次电池相比,锂离子电池具有更高的能量密度、安全性和耐久性,这一新产品的价值很快就被市场所认知。不仅是摄像机,CD播放机等便携式电子设备也开始采用锂离子电池。



正值20世纪90年代手机问世,锂离子电池得以迅速普及。三洋电机、东芝、松下等日本电子企业相继进军二次电池业务,迎来了黄金时代。

什么是镍镉电池?
在锂离子电池商业化之前,镍系二次电池被广泛使用。镍镉电池简称“镍镉电池”或“Ni-Cd电池”。镍系二次电池以氧化氢氧化镍为正极活性物质,该物质具有容量密度高、耐腐蚀性强(不易被腐蚀)、充放电过程中金属溶出少等优点。根据负极活性物质的不同,镍系二次电池可分为镍镉、镍铁、镍锌、镍氢电池等。镍镉电池历史悠久,早在1899年就由瑞典工程师Ernst Jungner发明。


镍镉电池比铅酸蓄电池更加坚固,耐振动和冲击,可在大电流条件下进行充放电,在低温环境下电压下降也不明显,具有多种优点。但其致命缺点是使用了对人体有害的镉。20世纪60年代曾震撼日本的“痛痛病”就是由镉引起的。欧洲已禁止使用镍镉电池。随着锂离子电池的出现,镍镉电池的使用量开始逐渐减少。
<参考文献>
- IEEE,《Who Really Invented the Rechargeable Lithium-Ion Battery?》
- 索尼官网,About Sony Group, Chapter13 Recognized as an International Standard
- 关于诺贝尔化学奖得主Yoshino博士发明锂离子电池的故事
- Shirai Shi Taku,《初读二次电池的故事》
- Electric Autonomy Canada,《New lessons from the epic story of Moli Energy, the Canadian pioneer of rechargeable lithium battery technology》