鉅大LARGE | 點擊量：1034次 | 2021年03月02日
主導全球鋰電池市場，就意味著中國掌握了核心技術(shù)嗎？
2014年4月21日上午，馬斯克乘坐私人飛機空降在北京僑福芳草地，第一站去了中國科技部，為特斯拉入華事宜試探后路。科技部向來對特斯拉持鼓勵態(tài)度，但這次馬斯克吃了閉門羹，得到的回復是：中國正在考慮電動汽車的稅收改革。在改革完成前，ModelS仍需要與傳統(tǒng)燃油車一樣繳納25%關(guān)稅。
于是，馬斯克計劃通過極客公園創(chuàng)新者峰會"喊喊話"。在中山音樂堂正廳，楊元慶、周鴻祎、張一鳴等人已在臺上落座。而馬斯克在舞臺后候場，掏出手機刷起了推特。當音樂響起，他大踏步地走向舞臺，歡呼聲和掌聲連成一片。但他回到美國就發(fā)推特抱怨："在中國，我們就像一個匍匐前進的嬰兒。"
此后，隨著市場普遍看空，以及難產(chǎn)問題導致客戶提車周期長達半年，特斯拉數(shù)次瀕臨危機。馬斯克因此精神崩潰，甚至直播吸大麻，每天睡在加州工廠里監(jiān)督進度。而解決產(chǎn)能問題的最優(yōu)路徑，是在中國建造超級工廠。為此，馬斯克在香港演講時哭訴：自己為了中國客戶，連聊天軟件都學會使用了。
時光荏苒，2020年1月7日，馬斯克再次來到上海，已經(jīng)是在特斯拉上海超級工廠里，向中國車主交付第一批國產(chǎn)Model3鑰匙。他開場的第一句話就是：感謝中國政府。興之所至還在現(xiàn)場尬了一段搓背舞。此后，隨著國產(chǎn)Model3大幅降價，很多業(yè)內(nèi)外人士驚恐道：中國新能源汽車的末日要來了。
但在過去一年，特斯拉卻出現(xiàn)大規(guī)模翻車事件，其中包括電池自燃、發(fā)動機失控、天窗飛走等。而特斯拉的態(tài)度也變得"理直氣壯"，或傲慢無厘頭。最近，因新車斷電事件甩鍋國家電網(wǎng)，特斯拉更招至央媒點名批評。相對而言，特斯拉電池縮水問題極為普遍，車主在網(wǎng)上聲討的聲音也此起彼伏。
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鑒于此，國家機關(guān)正式出手。近日，市場監(jiān)管總局等五部門約談特斯拉，其中涉及問題主要包括異常加速、電池起火、車輛遠程升級等。眾所周知，國產(chǎn)Model3基本都采用國產(chǎn)磷酸鐵鋰電池。
鋰電池到底有多重要？回顧產(chǎn)業(yè)發(fā)展的歷程，中國是否真正掌握了核心技術(shù)？又是如何獲得成功的？
1/時代"重器"
在二十世紀，人類創(chuàng)造的財富超越之前2000年總和。其中，科技堪稱推動全球文明和經(jīng)濟發(fā)展的決定性力量。而過去百年，人類創(chuàng)造的科技發(fā)明璨若星河，其中有兩項被公認為對歷史進程有著深遠影響。首先是晶體管，沒有晶體管就沒有計算機；其次就是鋰離子電池，沒有它世界運轉(zhuǎn)將無法想象。
如今，鋰電池每年已被應用在數(shù)十億手機、筆記本電腦等電子產(chǎn)品，還有數(shù)百萬新能源汽車，乃至地球上所有需要充電的便攜設備上。此外，隨著新能源汽車革命浪潮正來臨，以及更多移動設備被創(chuàng)造，鋰電池行業(yè)將大有可為。比如僅鋰電電芯的年產(chǎn)值就達到了2000億元，未來破萬億指日可待。
世界各國制定的未來淘汰燃油車的計劃和時間表，也將"錦上添花"。其中最早的挪威定在2025年，美國、日本及眾多歐洲國家定在2035年前后，中國尚未有明確時間規(guī)劃。而若未來沒有出現(xiàn)新技術(shù)，鋰電池產(chǎn)業(yè)將持續(xù)興盛數(shù)十年?？梢哉f，誰擁有鋰電池的核心技術(shù)，就意味著擁有統(tǒng)治行業(yè)的權(quán)杖。
西歐各國制定開始淘汰燃油車的時間表
多年來，歐美、中日韓等國在鋰電池領(lǐng)域，展開了激烈的競爭乃至混戰(zhàn)，其中涉及多位著名科學家，多個厲害大學、研究機構(gòu)，以及石油、化工、車企、科技等行業(yè)的巨頭和資本財團?？捎姓l能想到，全球鋰電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展路徑竟然與半導體一樣：源于歐美、壯大于日韓，最終也變成由中國開始主導。
上世紀七八十年代，鋰電池技術(shù)在歐美應運而生。隨后，美國人先后發(fā)明了鈷酸鋰、錳酸鋰和磷酸鐵鋰電池，占據(jù)產(chǎn)業(yè)先機。而在1991年，日本第一個將鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化，但之后市場卻不斷萎縮。韓國則靠國家推動后來居上。與此同時，在政府大力支持下，中國將鋰電池產(chǎn)業(yè)一步步做到了世界第一。
在鋰電池的產(chǎn)業(yè)變遷中，歐美和日本曾在技術(shù)推進上發(fā)揮了重要作用。2019年，諾貝爾化學獎授予了美國科學家約翰·古迪納夫、斯坦利·惠廷漢姆和日本科學家吉野彰，以表彰他們在鋰離子電池研發(fā)領(lǐng)域作出的貢獻。既然是美日科學家獲諾貝爾獎，那中國的鋰電池核心技術(shù)真能談得上領(lǐng)先嗎？
2/鋰電"搖籃"
全球鋰電池技術(shù)發(fā)展早有跡可循。上世紀七十年代初，為了應對石油危機，石油巨頭?？松诿绹聺晌髦萁M建起一家研究實驗室，招攬了大批物理和化學界厲害人才，其中包括斯坦福大學固態(tài)電化學博士后斯坦利·惠廷漢姆。其目標是重構(gòu)一套全新的能源解決方案，即研發(fā)新一代二次充電電池。
與此同時，貝爾實驗室也成立了一個由斯坦福大學化學家和物理學家組成的研究小組。雙方在下一代電池的研發(fā)上，展開了極為激烈的競爭，甚至只要是研究相關(guān)的，"錢都不是問題"。而在經(jīng)歷近五年極為保密的研究之后，惠廷漢姆和他的團隊，首先研制成功出世界上第一塊可充電的鋰離子電池。
這款鋰電池創(chuàng)造性采用硫化鈦作正極材料，金屬鋰作負極材料，具有重量輕、容量大、無記憶效應等優(yōu)點，同時摒棄以前電池的缺點，可以說是一次質(zhì)的飛躍。1976年，?？松暾埩巳虻牡谝粋€鋰電池發(fā)明專利，但卻沒有從產(chǎn)業(yè)化中受益。不過，這并不影響惠廷漢姆的"鋰電之父"聲譽和江湖地位。
雖然惠廷漢姆的發(fā)明讓業(yè)界振奮，但電池充電燃燒和內(nèi)部粉碎又極大地困擾著團隊，其中便包括古迪納夫。因此，他和兩名博士后助手，系統(tǒng)性地圍繞元素周期表繼續(xù)探索。1980年，他們最終確定最佳材料是鈷。而可用于鋰離子電池正極的鈷酸鋰，性能遠遠優(yōu)于當時的任何材料，迅速占領(lǐng)了市場。
自此，人類的電池技術(shù)向前邁出實質(zhì)性的一大步。而如果沒有鈷酸鋰會怎樣？簡單說，曾經(jīng)的"大哥大"為什么會那么大那么重？就是因為沒有用鈷酸鋰電池。不過，雖然鈷酸鋰電池有許多優(yōu)勢，但在規(guī)模應用后缺點也不斷暴露出來，其中包括成本過高、抗過充和循環(huán)性能差，以及廢棄污染嚴重等。
于是，古迪納夫和和他的學生邁克·薩克雷繼續(xù)尋找更好的材料。1982年，薩克雷發(fā)明了一種開創(chuàng)性的錳酸鋰電池。但很快，他跳到阿貢國家實驗室（ANL）任職，專職鋰電池研究。而古迪納夫和團隊繼續(xù)尋找可替代材料，并通過再次系統(tǒng)地調(diào)換周期表的各種金屬元素，將名單縮小到鐵和磷的組合。
最終，鐵和磷沒有形成團隊想要的構(gòu)型，但卻無心插柳地組成了另一種結(jié)構(gòu)：即繼鈷酸鋰、錳酸鋰之后，鋰離子電池的第三種正極材料正式誕生：磷酸鐵鋰。因此，三種最重要的鋰離子電池正極，全部誕生自古迪納夫的實驗室。而這里也成為世界鋰電池搖籃，先后誕生了上述兩位諾貝爾獎化學家。
1996年，德州大學代表古迪納夫的實驗室申請了專利。這是磷酸鐵鋰電池的第一個基礎專利。此后，法國鋰電科學家米歇爾·阿爾芒也加入團隊，并與迪納夫共同申請了磷酸鐵鋰包碳技術(shù)的專利，成為第二個磷酸鐵鋰基礎專利。而這兩項專利，是磷酸鐵鋰技術(shù)路線無論如何都無法繞行的核心專利。
3/技術(shù)轉(zhuǎn)移
隨著技術(shù)應用推進，鈷酸鋰電池的負極出現(xiàn)一個亟待解決的問題，因而并沒有被迅速產(chǎn)業(yè)化。當時鋰電池的負極材料使用的是鋰金屬，雖然可以提供相當高的能量密度，但是存在著很大問題，其中包括負極材料逐漸粉末化最終失去活性，以及長出的鋰枝晶可能刺穿隔膜導致電池短路甚至燃燒爆炸等。
在問題非常棘手時，日本人登場了。索尼也早就在著手研發(fā)布局鋰電池，并密切關(guān)注全球動態(tài)，但沒有資料顯示是何時從何處獲得鈷酸鋰技術(shù)的。1991年，索尼發(fā)布了人類歷史上第一個商用鋰離子電池，并把幾節(jié)鈷酸鋰圓柱形電池裝進最新款的CCD-TR1攝像機里。自此，世界消費類電子產(chǎn)品的面貌被改寫。
吉野彰
做出這項重要決定的是吉野彰。他開創(chuàng)性的用碳（石墨）代替金屬鋰作為鋰電池的負極，并結(jié)合鈷酸鋰正極。這從根本上改善了鋰電池容量、循環(huán)壽命，并降低了成本，為鋰電池的產(chǎn)業(yè)化助攻了最后一把力。此后，中國、韓國企業(yè)相繼涌入鋰電池產(chǎn)業(yè)浪潮，新能源科技（ATL）等就是在這時建立。
而由于涉及技術(shù)被竊，由德州大學及部分企業(yè)發(fā)起的"聯(lián)盟"在全球范圍內(nèi)四處揮劍，造成了牽涉多個國家和公司的磷酸鐵鋰專利混戰(zhàn)。而當人們?nèi)哉J為磷酸鐵鋰是最合適的動力電池時，一種結(jié)合了鎳酸鋰、鈷酸鋰和錳酸鋰三者優(yōu)點的全新正極材料體系，已經(jīng)在加拿大的一家實驗室里悄然誕生。
2001年4月，加拿大達爾豪斯大學物理學教授兼3M集團加拿大公司首席科學家杰夫·達恩，發(fā)明了可以規(guī)模商業(yè)化的鎳鈷錳三元復合正極材料，促使鋰電池突破走向市場的最后一步。當年4月27日，3M向美國申請了該項專利，即三元材料的基礎核心專利。這意味著只要在三元體系下，誰都繞不過去。
幾乎在同一時期，阿貢國家實驗室（ANL）首次提出了富鋰的概念，并在此基礎上發(fā)明了層狀富鋰高錳三元材料，且在2004年成功申請專利。而這項技術(shù)研發(fā)的負責人，就是前述發(fā)明錳酸鋰的薩克雷爾。時至2012年，特斯拉開始爆發(fā)逐漸崛起的勢頭，馬斯克開出數(shù)倍高薪從3M的鋰電研發(fā)部門挖人。
借此機會，3M順水推舟，采取人走但是專利權(quán)留下的策略，徹底將電池部門解散，并通過對外輸出專利和技術(shù)合作的方式賺取更高利潤，其中專利授權(quán)給了優(yōu)美科、松下、日立、三星、LG、L&F和SK等多家日韓鋰電企業(yè)，以及中國的杉杉、湖南瑞翔和北大先行等正極材料企業(yè)，總數(shù)有十幾家之多。
而ANL的專利只授權(quán)給了三家：德國化工巨頭巴斯夫、日本正極材料廠戶田工業(yè)以及韓國LG。后來，圍繞著三元材料的核心專利競爭，全球兩大厲害的產(chǎn)學研聯(lián)盟各自形成。這無形中塑成了西方及日韓鋰電池企業(yè)的"先天"技術(shù)實力，而中國所獲并不多。
4/中企崛起
既然中國沒有掌握最核心的技術(shù)，那又是如何破局的呢？中國鋰電池研究并不晚，幾乎和世界同步。七十年代末，在旅德的中國工程院院士陳立泉力薦下，中科院物理所建立了國內(nèi)第一個固體離子學實驗室，并開啟了鋰離子導體和鋰電池等研究。1995年，中國的第一塊鋰電池就在中科院物理所誕生。
與此同時，得益于九十年代消費電子興起，中國鋰電池同步崛起，并涌現(xiàn)出"四巨頭"，即力神、比亞迪、比克和ATL。雖然日本引領(lǐng)了行業(yè)發(fā)展，但后來迫于生存窘境等，三洋電機賣給了松下，索尼的鋰電池業(yè)務賣給了村田制作所。而在市場激烈競爭中，國內(nèi)的"四巨頭"僅有比亞迪和ATL脫穎而出。
寧德時代創(chuàng)始人曾毓群
2011年，中國政府的補貼"白名單"把外資企業(yè)擋在了門外。而被日資收購后，ATL的身份變得不合時宜。于是，ATL創(chuàng)始人曾毓群計劃把動力電池業(yè)務獨立，讓中國資本參與進來把母公司TDK的股份稀釋掉，但沒有獲同意。于是曾毓群創(chuàng)立寧德時代（CATL），在原有的技術(shù)積累上進而狂飆成為黑馬。
在技術(shù)路徑上，有別于寧德時代傾向能量密度高的三元鋰，比亞迪選擇安全和性價比高的磷酸鐵鋰電池。這與比亞迪的商業(yè)模式相關(guān)。創(chuàng)始人王傳福崇尚"一根甘蔗吃到底"，一輛汽車除了玻璃和輪胎，其他部件幾乎全部自產(chǎn)自銷，然后以價格優(yōu)勢對外競爭?；诖耍葋喌祥L期穩(wěn)坐國內(nèi)市場老二位置。
但是比亞迪的優(yōu)勢也是短板所在：既做電池又賣車，使得其他汽車廠商有著天然不信任，更愿意把訂單給對手而不是自己。比如特斯拉，即便比亞迪的磷酸鐵鋰電池技術(shù)積累更深，但它還是選擇寧德時代的同類技術(shù)。而為改變局面，比亞迪計劃將動力電池分拆上市，同時也升級推出了"刀片電池"。
改革開放以來，鋰電池是少數(shù)幾個能趕上發(fā)達國家的領(lǐng)域。究其原因，一是國家重視和戰(zhàn)略保護，二是起步并不晚，三是國內(nèi)市場足夠龐大，四是有一批有抱負的技術(shù)專家和有干勁的企業(yè)家合力突圍。但如果放大層面來看，正如寧德時代的名字，是中國的經(jīng)濟成就及電動汽車時代塑造了寧德時代。
如今，中國在負極材料、電解質(zhì)等研究上，都沒有落后于發(fā)達國家，但也仍有一些短板，比如鋰電池隔膜、能量密度等。顯然，西方及日韓的技術(shù)積累仍有一定優(yōu)勢。比如雖然寧德時代持續(xù)數(shù)年位居全球電池市場第一，但國內(nèi)外的產(chǎn)業(yè)研報仍將松下、LG列在第一檔，而寧德時代與比亞迪列在第二檔。
5/尾聲
無疑，未來隨著相關(guān)研究的深入推進，全球鋰電池的發(fā)展和應用將迎來更加廣闊的前景，進而推動人類社會能源變革與創(chuàng)新，為經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展、加強環(huán)境保護注入新的動能。而作為行業(yè)頭部車企，特斯拉就像是一條鯰魚，在刺激新能源汽車發(fā)展的同時，也在身先士卒地挑戰(zhàn)鋰電池市場環(huán)境。
曾毓群曾經(jīng)披露與特斯拉結(jié)盟內(nèi)幕：馬斯克整天都在談論成本問題。言下之意就是特斯拉在極力壓低電池成本。但要注意的是，特斯拉和寧德時代在中國市場雙雙狂奔過程中，無論是整車還是電池，都不可因為成本而忽略質(zhì)量問題。而一旦如此，當初國內(nèi)系列良苦用心的政策，在意義上將大打折扣。
另外，還有一個比較嚴峻的現(xiàn)實，雖然中國主導鋰電池市場，但無論是磷酸鐵鋰還是三元材料，最核心技術(shù)以及專利都沒有在中國人手里。若與日本相比，中國在鋰電池研發(fā)的人力和資金投入上，都有較大差距。這凸顯基礎科學研究極為重要，同時要靠國家、科研機構(gòu)和企業(yè)的長久堅持和投入。
當前，鋰電池經(jīng)過前兩代的鈷酸鋰、磷酸鐵鋰和三元鋰迭代，正朝著第三代邁進。由于前兩代核心技術(shù)和專利已被外國公司瓜分完畢，中國沒有足夠的核心優(yōu)勢，但或可以通過提前布局在下一代扭轉(zhuǎn)局面。而鑒于電池材料有基礎研發(fā)、應用研究、產(chǎn)品開發(fā)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑，所以要做好打持久戰(zhàn)的準備。
應當看到，中國鋰電池的發(fā)展和應用還面臨著不小挑戰(zhàn)。比如鋰電池新能源車在實際使用過程中，仍然存在能量密度低、低溫性能差、充電時間長、使用壽命短等問題。
自2019年起，中國就取消了電池"白名單"，LG和松下等外企重回中國市場，布局攻勢異常迅猛。同時，隨著鋰電池成本壓力加大，國內(nèi)市場的競爭正變得更加激烈。這將倒逼相關(guān)企業(yè)，以更高的產(chǎn)品性價比、更快的市場反應能力，在充分競爭中贏得優(yōu)勢，從而推動中國鋰電池產(chǎn)業(yè)的升級和繼續(xù)壯大。
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