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全球锂电池进化往事_美国“先驱”_日韩“壮大”_中国“登顶”

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  • 发布时间:2022-06-04 10:53:52
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风起于青萍之末。三十年前,或许没人会想到锂电池会给人类的生活带来如此巨大改变,如今锂电池已广泛应用于电动汽车、电子产品、储能系统等领域。而其从萌生到壮大,可谓十年传育,十年发芽,十年枝繁叶茂。甫入壮年,新生代动力电池又逐渐微澜成浪。三十多年产业浮沉,笔墨或难以道尽。但可以尝试以时间线为轴,以国别和企业为抓手,去描绘锂电池产业版图变迁和企业代际的兴衰,以找出竞争制胜的关键和益于未来产业发展的思考。

01 美国篇

都说全球锂电池是中日韩“三国杀”,但美国其实才是锂电池技术鼻祖。上世纪 70 年代初,在全球“石油危机”下,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。因此,美国石油巨头埃克森美孚立即建立研究实验室,招揽了大批物理和化学界顶级人才,其中包括斯坦福大学固态电化学博士后斯坦利?惠廷汉姆。经过近五年不计成本以及十分保密的研究后,惠廷汉姆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

1976 年,埃克森美孚为这项技术申请了发明专利,但由于锂电池仍易燃易爆并未从中获益。为了解决稳定性问题,1980 年,牛津大学无机化学实验室主任约翰?古德纳夫带领项目组,设计出以钴酸锂为正极材料的技术方案,极大地提升了锂电池综合性能。但古德纳夫在向牛津大学申请专利申报时,却被以应用前景渺茫而拒绝,最终以极低的价格将该设计专利转售给英国原子能科学研究中心。而由于负极材料没有根本性改善,这项技术回报依旧甚微。

1986 年,古德纳夫从牛津大学回到得克萨斯大学任教后,相继研发了锰酸锂、磷酸铁锂正级材料,从而使他的实验室汇聚了三种最重要的电池正极材料,成为世界锂电池“摇篮”。然而,1996 年,当古德纳夫发现团队被日本间谍渗透时,急忙让得州大学在美国代申请了磷酸铁锂技术专利。紧接着,他又和法国科学家米歇尔?阿尔芒共同申请了磷酸铁锂包碳技术专利。而这两项分别专注于制造工艺和商业化的专利,也是磷酸铁锂电池最核心的基础技术。

不过,美国人很快将磷酸铁锂专利当成了“生意经”。当时,阿尔芒正好在加拿大蒙特利尔大学担任化学系教授,并在当地创建了由加拿大魁北克水电(H-Q)投资的 Phostech Lithium 公司。因此,H-Q 和 Phostech(后被德国化工巨头南方化学收购)成为获得两项磷酸铁锂关键专利的独家授权单位。后来,由于古德纳夫的核心技术已经通过各种渠道散布到了世界各地,具备授权的各方摇身变成“维权联盟”,2001 年把搞间谍的日本 NTT 公司告上了法庭。

在尝到不菲的甜头后,“维权联盟”开始在全球各地疯狂抢注专利,并四处出击谋利。但他们的专利阳谋并非无往不利,反而经常遭遇败绩。其中,欧洲专利局更直接与美国撕破脸面,直接宣布裁决撤销了得州大学在欧洲的磷酸铁锂专利拥有权。另外,由于股权背景及牵涉利益较为复杂,“维权联盟”狠起来连自己人也不放过,一度将枪口瞄准美国手持电动工具巨头 Bamp;D 和为其提供磷酸铁电池的 A123 公司,但随着案件走向风口浪尖最终被判决败诉。

所幸的是,由于靠山实力强大,A123 没有大伤元气。A123 于 2001 年由麻省理工的一位材料科学与工程学教授蒋业明创办。刚成立时,A123 只有 5 名员工,美国能源部提供的 10 万美元科研经费,以及来自学校的 0.5 克材料。但蒋业明厉害之处是能将磷酸铁锂正极材料制造成均匀的纳米级超小颗粒,从而大幅提升电池放电功率。2004 年初,在中国台湾地区太电电能协助下,A123 的粉体材料和第一套电池原型顺利量产,并募集到 2000 万美元资本,就此奔向坦途。

▲A123 生产线

然而,在 A123 高歌猛进的 2008 年,美国次贷危机爆发。于是时任总统喊出让制造业重回美国,并亮出一张王牌 —— 以新能源产业刺激经济,增加就业岗位。但回流到美国,A123 不得不面临的难题是:投建生产线成本大,招聘当地员工成本高,以及产业链配套不足等。最终,即便美国政府提供补贴,A123 仍然支出成本高昂,电池越产越多,却越卖越亏,进而走进死胡同。2012 年 10 月,A123 被债务压垮宣布破产,并于第二年被中国企业万向收购。

曾经,在行业先驱的开拓下,美国握住一手技术先发的好牌 —— 最先研究锂电池原理和基础技术,并拥有最全面和领先的锂电池技术专利。但由于涉及力量错综复杂以及制造业空心化,美国在推动锂电池应用及商业化过程中举步维艰。而 A123 的折戟,更是美国锂电池行业复兴梦破碎的缩影。兜兜转转,美国如今已没有一家纯粹的本土锂电池企业可用。究其根源,尽管美国政策、资金、技术三大要素齐备,但终究还是抵不过逆全球化生产的高成本困局。

02 日本篇

在全球锂电池技术的探索进程中,日本与美国最为接近同一起跑期,并且“站在美国的肩膀上”取得了举世瞩目的成就。上世纪 70 年代,日本受全球石油危机的冲击比欧美有过之而无不及,于是紧急制定了电动汽车计划,即十年内量产 20 万辆电动汽车。但因为镍镉电池等技术未能突破,日本的电动汽车计划宣告失败。这时,日本材料化学巨头旭化成公司从美国锂电池技术的研发进展看到了转机,并在美国原有的锂电池理论基础上开始着手研究。

1983 年,当美国人为一直找不到合适的负极材料发愁时,旭化成的科学专家吉野彰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,全球锂电池发展的标志性贡献“齐聚”,进而使得吉野彰与惠廷汉姆、古德纳夫于 2019 年同获诺贝尔化学奖。而借助快速扩张的消费电子和新能源汽车市场,锂电池产业开始一路乘风破浪。

▲古德纳夫、惠廷汉姆、吉野彰

1991 年,根据多年开发经验,索尼公司率先发布了世界上第一块商用锂离子电池,并装配在其新款 CCD-TR1 摄像机中。这款产品一经问世便引发全球瞩目,并标志着消费电子产品面貌因此改变。紧接着,索尼又迭代设计出了一款奠定行业标准的锂电池 ——18650 电池。第二年,旭化成和东芝成立合资公司,开始生产用于电子产品的锂电池。同期,美国贝尔实验室也成功获得聚合物锂电池专利,将电解液替换为凝胶状,从而将锂电池体积进一步缩小。

由于锂电池很快大量应用于摄像机、手机、笔记本电脑等产品,日本消费电子业得以狂飙突进,并横扫全球、风光无限。索尼也乘势快速崛起,成为全球消费电子巨头。1994 年,索尼的锂电池月产量达到了 200 万支,而且在不断扩充产能。同年,松下也开始研发锂离子电池,并在四年后量产了笔记本电脑专用的圆柱形锂离子电池等。在索尼、松下等头部厂商推动下,1998 年日本的锂电池年产能迅速飙升至 4 亿支,在全球锂电池市场份额占比高达 90%。

但进入新世纪,这一形势却开始急转直下。2004 年,笔记本电脑巨头东芝在中国的市场份额开始直线下跌;2005 年,松下退出欧洲和中国的手机市场。日系企业在消费电子产品领域大溃败的序幕由此拉开。由于与手机、笔记本电脑厂商互为捆绑关系,日本锂电池企业的行业优势也逐渐褪去。作为汽车大国,如果日本坚守车用锂电池,尚能更好的捍卫阵地。但关键时刻,日本偏偏点错了科技树,从国家层面押注氢燃料电池车,导致动力电池遭受冷落

▲丰田氢燃料电池车“未来(Mirai)”

于是,在 2008 年金融危机冲击下,松下遭遇至暗时刻:冲击手机、等离子平板电视等领域失败,不但士气低落,业绩更惨不忍睹,多年来首次由盈转亏,且亏损达 40 亿美元。为了寻找自救之路,松下大胆斥资 64 亿美元收购了特斯拉选定的供应商三洋电机,一跃成为全球最大的锂电池供应商。绑上特斯拉战车,松下持续多年收获了海量订单,进而奠定了全球动力电池霸主地位。不过,松下的扩张并没有掩盖日本在全球锂电池市场份额下降的事实。

相比之下,索尼的锂电池业务却没有那么幸运。最初,索尼也是将锂电池当成核心业务来发展,并将战略重心转移到了锂离子聚合物电池上。但受聚合物锂离子电池本身的技术瓶颈所困,索尼迟迟不能在技术上取得领先,一直被对手三洋电机压制。此外,随着中韩锂电池企业快速崛起,索尼的电池业务进一步受到冲击。内忧外患下,索尼曾经数次试图转战车用锂电池,但均无疾而终。最终,2016 年,索尼将电池业务出售给村田公司,一代传奇就此落幕。

诚然,在三十余年的锂电池发展之路上,日本凭借先发技术优势和产业化配套能力等,在大力拓展锂电池应用范围过程中不断做大做强,并推动全球消费电子取得前所未有的飞跃。而这又反过来促进了日本锂电池产业迅速崛起。但可惜的是,由于战略失误及投入决心不足,日本的动力电池并未取得长足发展,同时消费锂电池也随着电子产业衰退持续式微。但即便从行业“霸主”变成“王公”,凭借深厚的技术和研发积累,日本在锂电池行业如今仍占有举足轻重的地位。

03 韩国篇

基于地理位置、历史渊源和经济发展等因素考量,韩国似乎向来擅于从日本手中夺取产业权益。在日本企业曾开足锂电池印钞机马力时,海峡对面的韩国自然看在眼里。当时韩国刚刚在半导体领域完成对日本的反超,怎么会放过利润丰厚的锂电池市场?于是,韩国在吸收、引进锂电池技术后,利用韩国财团优势和国家力量支持,推动代表企业 LG 化学、三星 SDI“双剑合璧”,快速扩规模、上产能、压价格和抢市场,正式挺进日本人“统领”的锂电池后花园。

当然,韩系企业的自身奋斗也至关重要。1998 年,LG 化学一脚踏进锂电池行业,并成为韩国首个成功量产锂电池的企业。但面对索尼、三洋这样的全球性电子公司,LG 化学的电池业务很难达到预期盈利,导致电池事业陷入危机。2001 年,LG 集团最高经营者会议对电池业务保留与否争执不休,最终在掌门人具本茂力挺下,LG 电池业务才得以保留并落地生根。鉴于在消费电池领域未能取得突破,LG 化学后来便转移赛道,在动力电池上大举投入资金研发。

2006 年,LG 化学在参加通用的电动汽车项目时,因提交样品有问题而落选。但凭借“不抛弃、不放弃”的精神,LG 化学不断优化升级产品,进而成为通用的六家备选供应商之一。后来,面对美国本土厂商 A123 的强力竞争,LG 化学又以更积极、诚恳的态度和举措打动了通用,最终被选为 Volt 电动汽车唯一的锂电池供应商。自此,LG 化学在汽车领域彻底打开局面,一举斩获现代、福特、特斯拉等大量客户订单,成为目前全球与车企合作数量最多的动力电池企业。

但挑战也不容忽视。2018 年,由于被韩国晚辈 SKI 抢走大众的超十亿美元订单,LG 化学一怒之下以商业秘密被窃为由与其对簿公堂。同年,为了应对中国锂电池企业全面崛起,LG 化学先是频繁报出超低价,然后以“ATL 向美国大量出口在中国生产的价格低廉、质量低下的电池”为由,向美国国际贸易委员会申请禁止进口 ATL 电池。这颇有些“此地无银三百两”的味道。但即便尽浑身解数,相对动力电池和电池材料领域,LG 化学在消费电池上的建树仍相对有限。

与 LG 化学恰恰相反,三星 SDI 则在消费电池领域势不可挡。自 1999 年起,凭借强大的技术研发实力,三星 SDI 在短短数年内,就研制出业内最大容量的 1800mAh 圆柱锂电池,全球首个 435Wh / L 的聚合物电池,以及世界最大容量的 2400mAh 笔记本电脑圆柱锂电池等。此外,随着下游的三星电子终端业务快速发展,2010 年三星 SDI 还以 20.2% 的全球市场份额,一举超越松下登顶消费锂电池市场。而这距离三星 SDI 首次进军锂电池行业仅约十年时间。

后来,三星电子抓住智能手机时代机遇深耕安卓操作系统,并于 2012 年超越诺基亚成为全球手机销量冠军。而上游的三星 SDI 自然成为最大受益者。以三星 Galaxy Note7 为例,电池供应链中三星 SDI 占 70% 的份额,剩下 30% 的电池由 ATL 提供。此外,三星 SDI 的外部渠道也极为广阔,包括成为苹果等高端电子产品的长期供应商。基于对三星手机和 iPhone 的深度绑定,近年来三星 SDI 消费锂电池市场份额继续扩大,坐稳全球消费锂电池的冠军宝座。

但遗憾的是,三星 SDI 在动力电池赛道上却步履蹒跚。2008 年,三星 SDI 和博世合资成立 SB Limotive 公司,正式进入动力电池领域。2015 年,三星 SDI 开始大举发力动力电池,包括全资收购国际领先的电池公司 MSBS,挖角 LG 化学动力电池技术大拿安顺浩,并先后在韩中美欧等地建立动力电池工厂。但由于集团层面战略保守,中国出台“白名单”政策以及在国际竞争中失利等,三星 SDI 成为全球头部动力电池企业中出货量最少的企业,并逐渐走向衰微。

整体上,如果剖析三星 SDI 和 LG 化学能够快速突围崛起的原因,一方面在于利用财阀和国家支持参与研发和整合产业链,同时绑定集团客户保证产品销售。另一方面是通过自身奋斗和不断积累学习,逐步发展壮大。但很重要一点还在于,多年来他们依托国家级公司的体量,以持久的低价战略大肆开拓海外市场,甚至不惜采取亏损策略。不难发现,在取得系列成就后,LG 化学和三星 SDI 的各有所长,刚好构成一幅“太极”图,塑成了韩国锂电池的整体国际竞争力。

04 中国篇

千禧年之际,全球锂电池行业格局是:日系企业垄断市场,韩系企业破门而入,中国企业在门外张望。随着日本采用锂电池的电子产品席卷全球,中国企业及科研工作者便从镍镉和镍氢电池赛道切换,开始研究液态电解质的锂离子电池。当时,陈立泉院士实验室依靠自制设备、国产原材料和自己研发的技术,完成了第一条 18650 圆柱型锂电池的测试生产线,年产量 20 万支电池。1999 年成立的北京星恒电池公司,即标志着中国正式实现锂电池的商业化

当看见自己的中科院博导陈立泉奋战在一线时,曾毓群也心潮澎湃,1999 年从东莞新科磁电厂辞职,并利用贝尔实验室的专利授权,在香港成立新能源科技(ATL)。他通过改进电解液配方解决了聚合物锂电池的鼓包问题,使得 ATL 的电池产品在全球大卖。不过,2005 年,由于行业掀起价格战,外资大股东突然撤资,日本电子元件巨头 TDK 趁机以低价全资收购 ATL,但公司管理层不变。后来,随着智能手机兴起,ATL 竟然一口气做成了全球消费电池老大。

▲曾毓群

2010 年前后,新能源汽车发展促使动力电池开始在全球风生水起。于是,宝马试图与 ATL 合作生产动力电池,但却被日方高层拒绝。面对大好机遇,曾毓群毅然从 ATL 辞职,拉上民族资本入局,于 2011 年创立了宁德时代。宝马核心供应商的背书,加上国内政策的大力扶持,宁德时代迅速拿到了奔驰、大众、长安、吉利等众多国内外头部车企订单。而让日本人惊讶的是,从动力电池界的婴儿到一举击败日韩企业成为全球老大,宁德时代只用了短短 7 年时间。

宁德时代的登顶势必得益于,早期 ATL 的技术储备优势,建立起全球领先的动力和储能电池领域研发和制造体系,以及制定磷酸铁锂电池和三元电池“两手抓”战略等。而在发展战略层面,这又进一步体现为:崇尚研发的经营信念,精准布局获取成本优势,以市场需求为导向开发产品,坚定产品安全底线,以及矢志成为全球 NO.1 的强大决心。期间,对于公司发展目标,曾毓群常常挂在嘴边的一句话就是,“假如我们不是世界第一,我们就没有存在的价值。”

而在此之前,比亚迪却曾长期让宁德时代望尘莫及。1995 年,比亚迪成立时,靠着进军日本企业逐步放弃的镍镉电池站住了脚。但王传福没有就此甘心,后来毅然进入日企主导的锂电池行业,并于 2000 年自主研发出了锂电池。与日韩产品相比,比亚迪的锂电池性价比极高,因而获得摩托罗拉、诺基亚等手机巨头大量订单。眼看比亚迪高歌猛进,自 2002 年起,三洋电机、索尼急忙发起了专利阻击战。但面对日企的攻势,比亚迪没有认怂,选择硬刚到底。

▲王传福

靠着自研技术的底气和专业团队的支持,比亚迪先是逼得三洋电机和解,而后又让索尼败诉,在扬眉吐气同时愈发强大。2005 年,比亚迪第一款磷酸铁锂动力电池面世以后,在国内动力锂电池范畴老大的位置上坐了许多年。这也是因为很长一段时间,磷酸铁锂都是国内主流的动力电池路线。然而,继比亚迪宣布电池不外售后,2015 年中国“白名单”推出时,政策层面对三元锂电池的精准扶持逐渐明确,一度让宁德时代直接坐上火箭,拉开了与比亚迪的距离。

但对于技术路线选择,王传福曾表示,比亚迪只有做车载磷酸铁锂电池,在世界、在中国才有出路。而他的逻辑是,相比于要使用大量镍、钴的三元锂电池,使用磷酸铁锂作为正极材料的电池不仅安全性更好,而且完全不依赖稀有金属,没有“卡脖子”的后顾之忧。不过,以往因能量密度较小、续航能力较差,比亚迪的磷酸铁锂电池曾长期被对手压制。直到 2020 年,比亚迪推出续航能力、安全性、使用寿命等指标更好的磷酸铁锂刀片电池后,行业局面才有所扭转。

激荡近二十年,国内企业在锂电池领域实现了从无到有、从弱到强的茁壮成长,并参与到与日韩对手之间的近身搏斗。而在比亚迪、宁德时代等厂商带动下,2017 年中国锂电池的市场份额突破 60%,彻底超越日韩、稳居世界第一。同时,中国锂电池的关键技术、关键材料和产品研究等也均取得突破。诚然,这一成就得益于中国政府的大力扶持及庞大市场基础。但不难发现,“白名单”政策取消、补贴退坡后,国内部分锂电池企业已经实现“健康”、可持续发展。

结语

人类发明璨若星河,但有两项发明被认为最能推动历史进程。其中一项是半导体,而另一项就是锂电池,可见其在现代科技社会的地位之高。对于全球锂电池的发展迭代,曾毓群曾形象概括:美国人发明了锂电池,日本人把它商业化,韩国人把它做大,中国人把它做到最便宜,并推向全世界。然而,随着锂电池技术不断迭代升级,竞逐远未结束,战火仍将延续,而最终胜者不仅要依靠强大内生力,还得建立起技术研发“护城河”。至于鹿死谁手,未来方可见真章。

标签: 锂电池

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