尽管关于锂离子电池的诺贝尔奖与中国科学家无关,但中国已经实实在在成为全球锂电池领域的三大头号玩家之一。
10月9日,2019年诺贝尔化学奖揭晓。奖项授予了英国化学家斯坦利·惠廷厄姆(M. Stanley Whittingham)、美国化学家约翰·古德纳夫(John B. Goodenough)以及日本化学家吉野彰(Akira Yoshino),以表彰他们在锂离子电池发展上所做的贡献。这也让97岁的二战老兵古德纳夫成为史上最年长的诺贝尔奖得主。
如今,锂电池已经深入我们日常生活的各个角落。小到数以十亿计的手机、笔记本电脑、穿戴设备等数码产品,大到数以百万计的电动汽车、电动自行车和储能设施,锂电池的发明和产业化直接加速了全人类信息技术和新能源技术的发展进程。
利用锂离子在正极和负极之间的移动,锂电池可以实现反复充电放电的操作。由于锂元素的自身特性(摩尔质量小、氧化还原电位低),其输出电压和能量密度比其他电池更高。在获得安全稳定的工作性能后,锂离子电池迅速从实验室走向全社会。
现在的锂电池产业链已形成庞大的规模效应,包含上游的矿山(镍钴锰、锂矿和石墨矿)和元器件(正负极材料、电解液、电极基材、隔膜等)、中游的电芯制造和封装、下游的锂电池应用(消费领域、动力领域)。根据中国电子信息产业发展研究院《锂离子电池产业发展白皮书(2019年)》(下称“《白皮书》”),2018年全球锂离子电池产业规模达412亿美元,同比增长18%;按容量计算,全球规模达到200GWh,同比增长25%。
从日本一家独大,到中日韩三足鼎立,坐拥原料、市场、政策三大优势的中国企业,一跃成为全球锂电池行业的头部玩家之一,与日韩的老牌锂电池巨头平分秋色。但是打江山易、坐江山难,依赖政策红利起飞的中国锂电企业,面对扑面而来的行业洗牌、补贴退坡、产能过剩和外资入局,该如何守成并开拓新的增长?
从实验室到市场
在锂离子电池从无到有、从实验室到寻常百姓家的过程中,三位获奖科学家的工作成果起到了标定航向的作用。
上世纪70年代,“石油危机”促使美国政府大力开发新能源和储能技术,以减小对石油进口的过度依赖。供职于美国埃克森美孚(Exxon Mobil)石油公司的惠廷厄姆依据他在斯坦福大学的前期工作,以硫化钛和金属锂为正、负极材料,制成世界上第一块新型锂电池。埃克森美孚公司于1976为该技术申请了发明专利,但易燃易爆炸的锂电池并未让这家公司从中获益。
为解决锂电池的稳定性问题,1980年,时任牛津大学无机化学实验室主任的古德纳夫带领项目组设计出以钴酸锂(LiCoO2)为正极材料的技术方案,极大地提升了锂电池的综合性能。但古德纳夫在向牛津大学申请专利申报时,被后者以应用前景渺茫而拒绝,最终以很低价格将该设计专利转售给英国原子能科学研究中心。同样,这项专利回报甚微,原因依旧是用作负极材料的金属锂性能不稳定。
问题的最终解决者是日本材料化学巨头旭化成公司(Asahi Kasei)的吉野彰。1983年,中国太阳能网,他采用碳材料代替金属锂作为锂电池的负极,沿用古德纳夫的钴酸锂正极,从根本上改善了锂电池的能量密度和使用寿命,并且大幅降低了成本,成为第一个商业化锂离子电池的设计原型。
至此,三位诺奖得主的标志性贡献已全部到齐。借助消费电子产品和新能源汽车两个急速扩张的市场,锂电池产业一路高歌猛进。
1991年,索尼(SONY)公司率先发布了世界上第一块商用锂离子电池,并装配在该公司新款的CCD-TR1摄像机中,一经问世便引发全球瞩目,太阳能门户,标志着消费电子产品的面貌从此改变。次年,旭化成和东芝成立合资公司,生产用于电子产品的锂电池。著名的美国贝尔实验室也成功获得聚合物锂电池的专利,在正负极材料和工作原理不变的情况下,将电解液替换为凝胶状,并发明了软包状的封装形式,锂电池的体积进一步缩小。
进入世纪之交,中国人的身影终于登上锂电池产业的舞台。
利用贝尔实验室的专利授权,1999年,东莞新科磁电厂工程总监曾毓群辞职创业,在香港成立新能源科技(ATL),通过改进电解液配方解决了聚合物锂电池的鼓包问题,ATL的产品由此大卖,如今已占领全球聚合物锂电池市场的一半份额。2005年,ATL被日本东电化公司(TDK)全资收购。2011年,曾毓群与几名合伙人将ATL的动力电池团队独立经营,这便是现已发展成为国内锂电池龙头企业的宁德时代(300750.SZ)。
中国加入龙头竞争