没有掌握核心技术,却主导全球锂电池市场,中国企业如何破局?

// 作者 | 陈辰

2014年4月21日上午,马斯克乘坐私人飞机空降在北京侨福芳草地,第一站去了中国科技部,为特斯拉入华事宜试探后路。科技部向来对特斯拉持鼓励态度,但这次马斯克吃了闭门羹,得到的回复是:中国正在考虑电动汽车的税收改革。在改革完成前,Model S仍需要与传统燃油车一样缴纳25%关税。

于是,马斯克计划通过极客公园创新者峰会“喊喊话”。在中山音乐堂正厅,杨元庆、周鸿祎、张一鸣等人已在台上落座。而马斯克在舞台后候场,掏出手机刷起了推特。当音乐响起,他大踏步地走向舞台,欢呼声和掌声连成一片。但他回到美国就发推特抱怨:“在中国,我们就像一个匍匐前进的婴儿。”

此后,随着市场普遍看空,以及难产问题导致客户提车周期长达半年,特斯拉数次濒临破产。马斯克因此精神崩溃,甚至直播吸大麻,每天睡在加州工厂里监督进度。而解决产能问题的最优路径,是在中国建造超级工厂。为此,马斯克在香港演讲时哭诉:自己为了中国客户,连微信都学会使用了。

没有掌握核心技术,却主导全球锂电池市场,中国企业如何破局?

马斯克在特斯拉上海超级工厂奠基现场

时光荏苒,2020年1月7日,马斯克再次来到上海,已经是在特斯拉上海超级工厂里,向中国车主交付第一批国产Model 3钥匙。他开场的第一句话就是:感谢中国政府。兴之所至还在现场尬了一段搓背舞。此后,随着国产Model 3大幅降价,很多业内外人士惊恐道:中国新能源汽车的末日要来了。

但在过去一年,特斯拉却出现大规模翻车事件,其中包括电池自燃、发动机失控、天窗飞走等。而特斯拉的态度也变得“理直气壮”,或傲慢无厘头。最近,因新车断电事件甩锅国家电网,特斯拉更招至央媒点名批评。相对而言,特斯拉电池缩水问题极为普遍,车主在网上声讨的声音也此起彼伏。

鉴于此,国家机关正式出手。近日,市场监管总局等五部门约谈特斯拉,其中涉及问题主要包括异常加速、电池起火、车辆远程升级等。众所周知,国产Model3基本都采用国产磷酸铁锂电池。

锂电池到底有多重要?回顾产业发展的历程,中国是否真正掌握了核心技术?又是如何获得成功的?

时代“重器”

在二十世纪,人类创造的财富超越之前2000年总和。其中,科技堪称推动全球文明和经济发展的决定性力量。而过去百年,人类创造的科技发明璨若星河,其中有两项被公认为对历史进程有着深远影响。首先是晶体管,没有晶体管就没有计算机;其次就是锂离子电池,没有它世界运转将无法想象。

如今,锂电池每年已被应用在数十亿手机、笔记本电脑等电子产品,还有数百万新能源汽车,乃至地球上所有需要充电的便携设备上。此外,随着新能源汽车革命浪潮正来临,以及更多移动设备被创造,锂电池行业将大有可为。比如仅锂电电芯的年产值就达到了2000亿元,未来破万亿指日可待。

世界各国制定的未来淘汰燃油车的计划和时间表,也将“锦上添花”。其中最早的挪威定在2025年,美国、日本及众多欧洲国家定在2035年前后,中国尚未有明确时间规划。而若未来没有出现新技术,锂电池产业将持续兴盛数十年。可以说,谁拥有锂电池的核心技术,就意味着拥有统治行业的权杖。

没有掌握核心技术,却主导全球锂电池市场,中国企业如何破局?

西欧各国制定开始淘汰燃油车的时间表

多年来,欧美、中日韩等国在锂电池领域,展开了激烈的竞争乃至混战,其中涉及多位著名科学家,多个顶级大学、研究机构,以及石油、化工、车企、科技等行业的巨头和资本财团。可有谁能想到,全球锂电池产业的发展路径竟然与半导体一样:源于欧美、壮大于日韩,最终也变成由中国开始主导。

上世纪七八十年代,锂电池技术在欧美应运而生。随后,美国人先后发明了钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂电池,占据产业先机。而在1991年,日本第一个将锂离子电池产业化,但之后市场却不断萎缩。韩国则靠国家推动后来居上。与此同时,在政府大力支持下,中国将锂电池产业一步步做到了世界第一。

在锂电池的产业变迁中,欧美和日本曾在技术推进上发挥了重要作用。2019年,诺贝尔化学奖授予了美国科学家约翰·古迪纳夫、斯坦利·惠廷汉姆和日本科学家吉野彰,以表彰他们在锂离子电池研发领域作出的贡献。既然是美日科学家获诺贝尔奖,那中国的锂电池核心技术真能谈得上领先吗?

锂电“摇篮”

全球锂电池技术发展早有迹可循。上世纪七十年代初,为了应对石油危机,石油巨头埃克森在美国新泽西州组建起一家研究实验室,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。其目标是重构一套全新的能源解决方案,即研发新一代二次充电电池。

与此同时,贝尔实验室也成立了一个由斯坦福大学化学家和物理学家组成的研究小组。双方在下一代电池的研发上,展开了极为激烈的竞争,甚至只要是研究相关的,“钱都不是问题”。而在经历近五年极为保密的研究之后,惠廷汉姆和他的团队,首先研制成功出世界上第一块可充电的锂离子电池。

这款锂电池创造性采用硫化钛作正极材料,金属锂作负极材料,具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点,同时摒弃以前电池的缺点,可以说是一次质的飞跃。1976年,埃克森申请了全球第一个锂电池发明专利,但却没有从产业化中受益。不过,这并不影响惠廷汉姆的“锂电之父”声誉和江湖地位。

虽然惠廷汉姆的发明让业界振奋,但电池充电燃烧和内部粉碎又极大地困扰着团队,其中便包括古迪纳夫。因此,他和两名博士后助手,系统性地围绕元素周期表继续探索。1980年,他们最终确定最佳材料是钴。而可用于锂离子电池正极的钴酸锂,性能远远优于当时的任何材料,迅速占领了市场。

没有掌握核心技术,却主导全球锂电池市场,中国企业如何破局?

摩托罗拉的“大哥大”

自此,人类的电池技术向前迈出实质性的一大步。而如果没有钴酸锂会怎样?简单说,曾经的“大哥大”为什么会那么大那么重?就是因为没有用钴酸锂电池。不过,虽然钴酸锂电池有许多优势,但在规模应用后缺点也不断暴露出来,其中包括成本过高、抗过充和循环性能差,以及废弃污染严重等。

于是,古迪纳夫和和他的学生迈克·萨克雷继续寻找更好的材料。1982年,萨克雷发明了一种开创性的锰酸锂电池。但很快,他跳到阿贡国家实验室(ANL)任职,专职锂电池研究。而古迪纳夫和团队继续寻找可替代材料,并通过再次系统地调换周期表的各种金属元素,将名单缩小到铁和磷的组合。

最终,铁和磷没有形成团队想要的构型,但却无心插柳地组成了另一种结构:即继钴酸锂、锰酸锂之后,锂离子电池的第三种正极材料正式诞生:磷酸铁锂。因此,三种最重要的锂离子电池正极,全部诞生自古迪纳夫的实验室。而这里也成为世界锂电池摇篮,先后诞生了上述两位诺贝尔奖化学家。

1996年,德州大学代表古迪纳夫的实验室申请了专利。这是磷酸铁锂电池的第一个基础专利。此后,法国锂电科学家米歇尔·阿尔芒也加入团队,并与迪纳夫共同申请了磷酸铁锂包碳技术的专利,成为第二个磷酸铁锂基础专利。而这两项专利,是磷酸铁锂技术路线无论如何都无法绕行的核心专利。

技术转移

随着技术应用推进,钴酸锂电池的负极出现一个亟待解决的问题,因而并没有被迅速产业化。当时锂电池的负极材料使用的是锂金属,虽然可以提供相当高的能量密度,但是存在着很大问题,其中包括负极材料逐渐粉末化最终失去活性,以及长出的锂枝晶可能刺穿隔膜导致电池短路甚至燃烧爆炸等。

在问题非常棘手时,日本人登场了。索尼也早就在着手研发布局锂电池,并密切关注全球动态,但没有资料显示是何时从何处获得钴酸锂技术的。1991年,索尼发布了人类历史上第一个商用锂离子电池,并把几节钴酸锂圆柱形电池装进最新款的CCD-TR1摄像机里。自此,世界消费类电子产品的面貌被改写。

没有掌握核心技术,却主导全球锂电池市场,中国企业如何破局?

吉野彰

做出这项重要决定的是吉野彰。他开创性的用碳(石墨)代替金属锂作为锂电池的负极,并结合钴酸锂正极。这从根本上改善了锂电池容量、循环寿命,并降低了成本,为锂电池的产业化助攻了最后一把力。此后,中国、韩国企业相继涌入锂电池产业浪潮,新能源科技(ATL)等就是在这时建立。

而由于涉及技术被窃,由德州大学及部分企业发起的“维权联盟”在全球范围内四处挥剑,造成了牵涉多个国家和公司的磷酸铁锂专利混战。而当人们仍认为磷酸铁锂是最合适的动力电池时,一种结合了镍酸锂、钴酸锂和锰酸锂三者优点的全新正极材料体系,已经在加拿大的一家实验室里悄然诞生。

2001年4月,加拿大达尔豪斯大学物理学教授兼3M集团加拿大公司首席科学家杰夫·达恩,发明了可以规模商业化的镍钴锰三元复合正极材料,促使锂电池突破走向市场的最后一步。当年4月27日,3M向美国申请了该项专利,即三元材料的基础核心专利。这意味着只要在三元体系下,谁都绕不过去。

几乎在同一时期,阿贡国家实验室(ANL)首次提出了富锂的概念,并在此基础上发明了层状富锂高锰三元材料,且在2004年成功申请专利。而这项技术研发的负责人,就是前述发明锰酸锂的萨克雷尔。时至2012年,特斯拉开始爆发逐渐崛起的势头,马斯克开出数倍高薪从3M的锂电研发部门挖人。

借此机会,3M顺水推舟,采取人走但是专利权留下的策略,彻底将电池部门解散,并通过对外输出专利和技术合作的方式赚取更高利润,其中专利授权给了优美科、松下、日立、三星、LG、L&F和SK等多家日韩锂电企业,以及中国的杉杉、湖南瑞翔和北大先行等正极材料企业,总数有十几家之多。

而ANL的专利只授权给了三家:德国化工巨头巴斯夫、日本正极材料厂户田工业以及韩国LG。后来,围绕着三元材料的核心专利竞争,全球两大顶级产学研联盟各自形成。这无形中塑成了西方及日韩锂电池企业的“先天”技术实力,而中国所获并不多。

中企崛起

既然中国没有掌握最核心的技术,那又是如何破局的呢?中国锂电池研究并不晚,几乎和世界同步。七十年代末,在旅德的中国工程院院士陈立泉力荐下,中科院物理所建立了国内第一个固体离子学实验室,并开启了锂离子导体和锂电池等研究。1995年,中国第一块锂电池就在中科院物理所诞生。

与此同时,得益于九十年代消费电子兴起,中国锂电池同步崛起,并涌现出“四巨头”,即力神、比亚迪、比克和ATL。虽然日本引领了行业发展,但后来迫于生存窘境等,三洋电机卖给了松下,索尼的锂电池业务卖给了村田制作所。而在市场激烈竞争中,国内的“四巨头”仅有比亚迪和ATL脱颖而出。

没有掌握核心技术,却主导全球锂电池市场,中国企业如何破局?

宁德时代创始人曾毓群

2011年,中国政府的补贴“白名单”把外资企业挡在了门外。而被日资收购后,ATL的身份变得不合时宜。于是,ATL创始人曾毓群计划把动力电池业务独立,让中国资本参与进来把母公司TDK的股份稀释掉,但没有获同意。于是曾毓群创立宁德时代(CATL),在原有的技术积累上进而狂飙成为黑马。

在技术路径上,有别于宁德时代倾向能量密度高的三元锂,比亚迪选择安全和性价比高的磷酸铁锂电池。这与比亚迪的商业模式相关。创始人王传福崇尚“一根甘蔗吃到底”,一辆汽车除了玻璃和轮胎,其他部件几乎全部自产自销,然后以价格优势对外竞争。基于此,比亚迪长期稳坐国内市场老二位置。

但是比亚迪的优势也是短板所在:既做电池又卖车,使得其他汽车厂商有着天然不信任,更愿意把订单给对手而不是自己。比如特斯拉,即便比亚迪的磷酸铁锂电池技术积累更深,但它还是选择宁德时代的同类技术。而为改变局面,比亚迪计划将动力电池分拆上市,同时也升级推出了“刀片电池”。

改革开放以来,锂电池是少数几个能赶上发达国家的领域。究其原因,一是国家重视和战略保护,二是起步并不晚,三是国内市场足够庞大,四是有一批有抱负的技术专家和有干劲的企业家合力突围。但如果放大层面来看,正如宁德时代的名字,是中国的经济成就及电动汽车时代塑造了宁德时代。

如今,中国在负极材料、电解质等研究上,都没有落后于发达国家,但也仍有一些短板,比如锂电池隔膜、能量密度等。显然,西方及日韩的技术积累仍有一定优势。比如虽然宁德时代持续数年位居全球电池市场第一,但国内外的产业研报仍将松下、LG列在第一档,而宁德时代与比亚迪列在第二档。

尾声

无疑,未来随着相关研究的深入推进,全球锂电池的发展和应用将迎来更加广阔的前景,进而推动人类社会能源变革与创新,为经济社会可持续发展、加强环境保护注入新的动能。而作为行业头部车企,特斯拉就像是一条鲶鱼,在刺激新能源汽车发展的同时,也在身先士卒地挑战锂电池市场环境。

曾毓群曾经披露与特斯拉结盟内幕:马斯克整天都在谈论成本问题。言下之意就是特斯拉在极力压低电池成本。但要注意的是,特斯拉和宁德时代在中国市场双双狂奔过程中,无论是整车还是电池,都不可因为成本而忽略质量问题。而一旦如此,当初国内系列良苦用心的政策,在意义上将大打折扣。

另外,还有一个比较严峻的现实,虽然中国主导锂电池市场,但无论是磷酸铁锂还是三元材料,最核心技术以及专利都没有在中国人手里。若与日本相比,中国在锂电池研发的人力和资金投入上,都有较大差距。这凸显基础科学研究极为重要,同时要靠国家、科研机构和企业的长久坚持和投入。

没有掌握核心技术,却主导全球锂电池市场,中国企业如何破局?

当前,锂电池经过前两代的钴酸锂、磷酸铁锂和三元锂迭代,正朝着第三代迈进。由于前两代核心技术和专利已被外国公司瓜分完毕,中国没有足够的核心优势,但或可以通过提前布局在下一代扭转局面。而鉴于电池材料有基础研发、应用研究、产品开发的产业发展路径,所以要做好打持久战的准备。

应当看到,中国锂电池的发展和应用还面临着不小挑战。比如锂电池新能源车在实际使用过程中,仍然存在能量密度低、低温性能差、充电时间长、使用寿命短等问题。

自2019年起,中国就取消了电池“白名单”,LG和松下等外企重回中国市场,布局攻势异常迅猛。同时,随着锂电池成本压力加大,国内市场的竞争正变得更加激烈。这将倒逼相关企业,以更高的产品性价比、更快的市场反应能力,在充分竞争中赢得优势,从而推动中国锂电池产业的升级和继续壮大。

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投稿时间:2021-02-20  最后更新:2021-02-20

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