Статья про литиевые аккумуляторы

(перевод с китайского языка на русский)

锂电池之父吉野彰:锂电池重新定义未来
 
淡灰色的衬衫加暗条纹格领带、剪裁利落的黑色西装,坐在第一财经记者面前的是日本科学家吉野彰,他清瘦而有礼貌。
如果不是看过他的履历,你丝毫觉察不出这是一位拿奖无数的“锂电池之父”,全程从未谈起自己有过什么荣誉,淡定地聊着对锂电池技术的理解,有一些问题会停下来思考良久再给出答案,说到兴起时他也会仰起脖子大笑。
时隔四年,应2017“第一财经技术与创新大会”的邀请,再次探访上海的他,感慨于车用锂电池和新能源汽车发展的迅猛之势,也对中国锂电池制造商的评价甚高。他笑言,借助于日本科技力量,锂电池在研发上有了重大突破,而中国企业也正与全世界公司一道,让锂电池重新定义未来,“尽管技术千变万化,然而与之相对应的科学研究并非一日之功,在快慢之间寻求平衡与突破是科技的真正要义所在。”
择一事专一生
2013年,俄罗斯总统普京向在动力科研及科学创造方面取得杰出成就的人,颁发了俄罗斯全球能源大奖“The Global Energy Prize”,选中的全球技术专家有两位,日本旭化成的吉野彰、俄罗斯科学院院士福尔托夫。
颁奖典礼上,被普京本人委托发奖的俄罗斯石油总裁伊戈尔·谢钦就评价道,这一奖项是人类对科学家们科研和实际成果的感谢表达,吉野彰创造的价值难以估量,他从上世纪80年代开始就从事储能方面的研究工作,研制的锂电池带来了彻底的技术革命,依靠它,录音机、手机和平板电脑的体积和重量才越来越小巧,而纯电动和混合动力等交通工具也开始使用锂电池。
“接到来自莫斯科的电话我非常激动,”吉野彰说道,“2011年3月,日本福岛的悲剧带来了巨大的破坏,核电站的灾难也再次告诉这世界,动力问题的解决需要不分国界的科学结集。”
与众多日本科技学者的经历有些类似,吉野彰只服务过一家公司——旭化成。该技术的研发也是在这家著名日本化工公司的全力支持下完成的。1970年3月,吉野彰从京都大学工学部石油化学专业毕业,随后的2年继续攻读了同校的工学研究专业并顺利在1972年4月入职旭化成株式会社。
1980年,旭化成成立了宫崎电子株式会社(现在的旭化成电子株式会社),从而正式切入电子元件产业,这对于入行8年的吉野彰来说也是人生的一大际遇, “而现在的锂电池形状是在这个5年之后即1985年发明的,随后进行了各种各样的产品技术开发。”
他对第一财经记者说,自己感触最深的也是那一年,当时摄像机对锂电池的需求被突然放大,全世界每个月能卖到100万台左右,“难以想象的是,如今摄像机用电池市场也只能占锂电池所有需求的1%,这也说明在30多年的时间中这一技术发展的速度高达100倍。从智能手机、电脑再到电动汽车,由于锂电池的产生,这些科技产业也有机会获得惊人的成长。”
1985年之后,多个专利如防爆型二次电池、附带安全元件的二次电池等被吉野彰获得,他由此声名鹊起。
锂电池是蓄电池的一种,它之所以相比其他电池更具前瞻性,主要还是因为安全性高、体积小、能量密度高等特性,而20世纪80年代也是移动设备研发的黎明期,锂电池的出现也刚好顺应了时代发展。“在日常生活中不断摸索客户与这个社会到底需要什么,我们如何利用科学技术来满足这些需求,这是科研人员要做的。比起一本正经地思考有啥新发现,做一些调整并漫无目的地想想,有时灵感自然就会浮现出来。”吉野彰表示。
他说道,以前蓄电池的电解液(含有离子的溶液)溶剂是水。对水施加1.5V以上的电压后,水会分解为氢和氧。因此,在过去是不可能取得超过1.5V电动势的。而用有机溶剂取代水,同时在负极使用碳,即可取得4V以上的电动势。
此外,通过正极使用钴酸锂(含有锂离子的金属氧化物),旭化成率先在世界上提出了锂电池的原型。这种小型的蓄电池能用在手机、笔记本电脑、数码相机及摄像机、便携式音乐播放器等为主的各种电子设备上,所以它的出现是重量级的。
锂电池时代
随后的1991年,全球正式推出了商品锂电池。1年后,吉野彰在公司的帮助下,担任了离子二次电池事业推进部商品开发组组长,1994年8月再次成为株式会社A&T蓄电池技术开发部部长。
当时,旭化成开发的锂电池并不好卖,一段时间内几乎无人问津,突然有一天销路被打开了,那是1995年,“对于我们来说也是非常重要的一年,因为全球进入了移动IT时代,手机、平板电脑都要大量使用锂电池,整个世界走向了移动互联,所以锂电池也呈现了几何级的增长。”
1995年,微软发布了具有划时代意义的Windows95操作系统,它带着“我的电脑”、“IE浏览器”等一系列发明一路狂奔、战无不胜,全球科技界对Windows95的横空出世不断惊声尖叫,而这对于大洋彼岸的科学家吉野彰而言,印象也太深刻了。
“我们身处IT社会。这场IT革命起源于1995年。正是在那一年,微软发布了Windows95。也就是在那之后,锂电池引领了全球的抢购风潮。”他说道。而吉野彰及一批科学家的新成果,也获得了来自世界各地学会和专家们的共鸣。
由于技术出众,1999年起无数大奖被他一一揽入:日本政府的“紫绶褒章”、美国电气和电子工程师协会(IEEE)的“IEEE Medal for Environmental and Safety Technologies”(环境与安全科技奖章)、全美技术学会的最高奖项“The Charles Stark Draper Prize”(查尔斯·斯塔克·德雷珀奖)等。
在科技进步的推动下,旭化成电子业务也取得了惊人成就。
成立于1922年的旭化成株式会社是日本著名的化工企业,2016年主营化学品的销售额为84.49亿美元,全球化工企业排名39位。这家日资巨头从工程塑料、防火防震的建筑材料到医药用品、医疗器械以及电子等都处于世界领先。
吉野彰所在的锂电池研发,属于旭化成材料领域,公司也极为重视。
就商业产成品来说,旭化成在全球锂电池行业的影响力则体现于隔膜材料的第一话语权,拥有世界最高市场份额。凭借着2015年2月斥资22亿美元收购全球第三大电池绝缘体生产商美国Polypore International公司的这一举动,成为了干湿法隔膜的主导厂家。
2017年3月,旭化成宣布投资150亿日元,用于滋贺县守山市的锂离子二次电池(LIB)用的隔膜,实现锂电隔膜2亿平方米/年的产能,并预计在2020年实现11亿平方米/年的产能。
由于隔膜在生产过程中技术壁垒不低,对设备及设计、产品批次稳定性以及工人熟练程度都有着很高的要求,因此这一领域被日本旭化成、韩国SKI、东丽-BSF以及美国Celard等四大企业垄断,市场占有率高达70%。不过,随着锂电池需求的增大,中国企业如沧州明珠、星源材质也在尽快谋求发展,赶上锂电池快速发展的节奏。
多技术路线并举
20多年前,当Windows95到来的那一刻,吉野彰彻夜难眠。如今,他对于锂电池的发展前景依然充满着期待。
“就锂电池本身而言,现在主要应用在两大领域:一是移动式产品,如手机、电脑,占锂电池使用量的2/3左右;第二大领域便是车载电池。世界变化的速度实在太快了,根据我们2010年掌握的数据统计,当时车载用锂电池几乎是零,现在则要达到30%多,以后这一比例可能还会不断增加。电动汽车的出现,等于给锂电池打开了一个新的应用方向,是全新的商业机遇。”
他不否认,目前车载电池还是有一些弱点的,但这并不能归结于锂电池本身的技术困境,也有一些客观原因。笔记本电池毕竟经历了20多年的时间,但车用电池的使用时长从被开始使用到目前还很短暂,汽车行业在一边摸索新车型,一边研发及制造着锂电池。
另一方面,一辆汽车推出市场的时间很久,从设计到下线通常需要5年的时间,而2017年的一款全新电动汽车可能是2012年设计出来的,包括锂电池等配套产品也是过去的设计。
反过来讲,现在这辆新车其实装的是一块老电池。但是科技研发的速度很快,有的3个月就需要更新一次,锂电池也要面对这种技术难题。
“所以说,有人认为电动车的续航里程还是太短,应尽快解决,我认为锂电池确实有提高的空间,但你要明白车的开发和电池的周期性特点,给它一些时间来解决。如2015年,人们看到了续航里程为200公里左右的电动车,那么到了2020年你可能会看到续航400公里左右的车型。当然也不排除个别车企在设计、研发及生产环节中比别人跑得更快,这也是阶段性的突破。”吉野彰说,续航距离会有变化,真正会变化到什么程度,现在也很难确定。
LIB种类多样,市面上就有磷酸铁锂、三元锂及钛酸锂等各类技术路线。
吉野彰认为,从续航距离看,三元锂电池还是有很大的优势,但如果车主和乘客并不在意每天的路程有多远,而是考虑安全性和耐温能力的话,那么磷酸锂电池和钛酸锂电池确实也是好的选择。“你不能说哪个技术一定是最强的,还是要看你对汽车的性能、安全性和其他需求是什么,所以我感觉在一段时间内锂电池的发展还是多重技术路线并举的。”
让他更为诧异的,还有中国锂电池军团的突围。“比亚迪、CATL等企业都有着非常强劲的动力,技术层面上也很乐观,”吉野彰说道,日本和中国在制造锂电池方面也有一些不同,“最大的区别在于材料上。日本在材料上的研发时间更长一些,因为有过去积累的经验,所以和近期崛起的中国厂商还不太一样。反过来说,生产装配、新机器等,两国企业没什么大区别。还有一点较关键,锂电池是用在哪个国家、哪个市场的,当地的需求是什么,要怎么去抓住它。”
他说道,目前锂电池主要在日本、中国及韩国等三地企业中竞争,不排除美国和欧洲也会产出,“我认为未来需要关注的是欧洲市场,它会有很大的机会。”

 
Отец литиевых батарей Акира Ёсино: переопределение будущего литиевых батарей
Перед журналистом сидит человек, держащийся с изяществом и вежливостью. На нем стильный черный костюм, серая сорочка и галстук в темную полоску. Это - известный японский ученый Акира Ёсино.
Если вы не читали его резюме,  то ни за что не догадаетесь, что перед вами обладатель бесчисленных наград и «отец литиевых батарей». Он, ни разу не упомянув о своих достижениях, неторопливо рассуждает о деталях технологии производства. Услышав некоторые вопросы, он надолго задумывается и неспешно отвечает, в некоторых особо интересных местах поднимает голову и громко смеется. 
По прошествии четырех лет, получив приглашение на «Первую конференцию по финансовым технологиям и инновациям» 2017 года, у журналиста нашего издания вновь появилась возможность встретиться с выдающимся ученым, на этот раз в Шанхае. В этот раз Ёсино воодушевлен стремительным развитием технологий литиевых автомобильных аккумуляторов и вообще автомобилей на новых источниках энергии, а также высоко оценивает китайских производителей литиевых батарей. Он, улыбаясь,  говорит, что с помощью японских научно-технических разработок, в технологиях литиевых батарей произошел значительных прорыв, а китайские компании активно сотрудничают с компаниями всего мира, переопределяя будущее литиевых батарей. «Хотя технологии постоянно меняются, соответствующие им технические исследования не могут быть проведены одномоментно. В науке и технике всегда так, сначала развитие идет равномерно, потом неожиданно происходит прорыв».
Одно дело на всю жизнь
Лауреатами премии «Глобальная энергия» за 2013 год, учрежденной президентом России Владимиром Путиным за выдающиеся научные исследования и научно-технические разработки в сфере энергетики, стали два человека - Акиро Ёсино, сотрудник корпорации Асахи Касэй, и российский ученый Владимир Фортов.
На церемонии награждения награду от лица президента России вручил глава Роснефти Игорь Сечин. Данная награда является выражением благодарности от лица человечества за научно-технические исследования и реальные достижения. Вклад Акиро Ёсино трудно переоценить. Ведь он еще с 80-х годов прошлого века начал исследования в области аккумулирования энергии, а созданные им литиевые батареи произвели настоящую техническую революцию. Благодаря ему удалось снизить вес и габариты диктофонов, сотовых телефонов и планшетных компьютеров, также литиевые батареи нашли свое применение в электро- и гибридных автомобилях.
 «Получив звонок из Москвы, я чрезвычайно разволновался», вспоминает Ёсино, «в марте 2011 года фукусимская трагедия принесла огромные разрушения, авария на атомной электростанции еще раз напомнила миру, что проблемы в энергетике должны решаться совместными усилиями ученых, вне зависимости от государственных границ».
Подобно множеству других японских ученых, Ёсино всю жизнь проработал только в одной компании – в его случае такой компанией стала Асахи Касэй. И все его разработки проводились при полной поддержке этой известной химической корпорации. В марте 1970 года Ёсино закончил отделение нефтехимии инженерного факультета Киотского университета, в последующие два года занимался исследовательской работой в том же учебном заведении, а  в апреле 1972 года устроился на работу в корпорацию Асахи Касэй.
В 1980 году Асахи Касэй учредила компанию  Миядзаки Электроникс  (в настоящее время известную как Асахи Касэй Электроникс), которая для Акиры Ёсино, на тот момент проработавшего в компании уже в течение 8 лет, стала главным делом всей жизни, «современная форма литиевых батарей была разработана за эти пять лет, с 1980 по 1985 год, после этого проводились только различные технические усовершенствования продукта».
Он говорит репортеру, что больше всего переживаний принес именно тот год, когда неожиданно возник спрос на литиевые аккумуляторы со стороны производителей видеокамер. Во всем мире ежемесячно продавалось около миллиона камер. «Трудно было предположить, что в наше время потребность рынка видеокамер составляет всего 1% от всей потребности рынка электроники в литиевых батареях, можно сделать вывод, что за 30 лет скорость развитии этой технологии выросла в 100 раз. От смартфонов и компьютеров до электромобилей, рост отрасли впечатляет».
После 1985 года, получив множество патентов, вроде патента на взрывобезопасную вторичную батарею и патента вторичную батарею с безопасными элементам, он оказывается на пике славы.
Литиевые батареи – это один из типов аккумуляторных батарей, они получили такое широкое распространение в основном из-за высокой безопасности, компактности и энергетической плотности, а 80-е годы XX века стали  годом расцвета переносной электроники, для которой литиевые батареи пришлись в самый раз. «Это то, что исследователи должны делать: постоянно изучать потребности наших клиентов и общества в нашей повседневной жизни, думать, как мы можем использовать науку и технологии для удовлетворения этих потребностей. Но вместо классического подхода, когда ученый тщательно продумывает проблему, иногда можно позволить мыслям течь свободно, тогда порой вдохновение приходит само собой», - говорит Ёсино.
Он вспоминает, что раньше в качестве электролита в аккумуляторах использовалась вода. Но проблема «водных» аккумуляторов заключается в том, что напряжение выше 1,5 вольта они выдать не в состоянии, так как при более высоком напряжении там начинаются электролизные процессы. Но если заменить воду на органический растворитель и использовать углерод в качестве катода, можно поднять напряжение до 4 вольт и выше.
Кроме того, Асахи Касэй впервые разработала такой прототип литиевых батарей, в котором  на положительном электроде используется литий-кобальтат (оксид металла, содержащий ионы лития). Эти миниатюрные аккумуляторы могут использоваться в мобильных телефонах, ноутбуках, цифровых фотоаппаратах и видеокамерах, портативных музыкальных плеерах, поэтому их появление сыграло такую большую роль.
В 1991 году литиевые батареи наконец-то поступили в продажу во всем мире.  Спустя год Ёсино уже занимал должность лидера группы разработки отдела продвижения литий-ионных батарей. В августе 1994 года он стал руководителем отдела разработки технологий батарей, в рамках которого Асахи Касэй сотрудничала с AТ & T.
В этот период аккумуляторы Асахи Касэй продавались не очень успешно,  в какое-то время на них почти вообще не было спроса, но неожиданно пришло понимание нового пути продаж, это был 1995 год. «Для нас это был очень важный год, поскольку весь мир вступил в эпоху мобильных технологий. Появились сотовые телефоны, планшетные компьютеры, для которых массово и в большом количестве требовались литиевые батареи, поэтому потребность в литиевых батареях выросла в геометрической прогрессии».
В 1995 году Microsoft выпускает эпохальную операционную систему Windows 95. Благодаря таким нововведениям как «Мой компьютер» и «Internet Explorer», Microsoft резко отрывается от конкурентов, а глобальное научно-техническое сообщество с восторгом принимает Windows 95, все это производит огромное впечатление на Ёсино, находящегося по другую сторону океана.
 «Я сам из ИТ-сообщества. ИТ-революция началась в 1995 году. Именно в этом году Майкрософт выпустила  Windows 95. И именно с этого момента литиевые батареи начали свое победное шествие по миру», - говорит он. Новые достижения Ёсино и группы ученых под его руководством также вызвали симпатию общества и экспертов со всего мира.
Благодаря своим достижениям в области технологий он с 1999 года получил множество наград, включая «Пурпурную ленту» от правительства Японии, медаль Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE)  «За экологические технологии и технологии безопасности, а также высшую награду Национальной инженерной академии США «Премия Чарльза Штарка Драйпера».
Благодаря научно-техническому прогрессу и компании Асахи Касэй также удалось добиться впечатляющих результатов.
Основанная в 1922 году, Асахи Касэй - известная японская химическая корпорация. В 2016 году объем продаж основных химических веществ составил 8,449 млрд. долларов США, компания заняла 39-е место в мировом рейтинге производителей химической продукции.  Асахи Касэй стала одним из лидеров в производстве инженерных пластмасс, огнестойких и сейсмоустойчивых строительных материалов, медицинской техники и электроники.
Исследованиям Ёсино в области литиевых батарей, лежащим в сфере интересов компании, компания также уделяет серьезное значение.
Что касается готовой коммерческой продукции, влияние Асахи Касэй на глобальную отрасль литий-ионных батарей выразилось в ее производственных возможностях в области мембран. Одним из лидеров рынка компания стала в феврале 2015 года, приобретя третьего по величине производителя мембран Polypore International за 2,2 млрд. долларов США.
В марте 2017 года Асахи Касэй заявила, что собирается инвестировать 15 млрд. йен в производство мембран для литий-ионных батарей на производственных мощностях в г. Морияма, префектура Сига, производительностью в  200 млн. квадратных метров мембран год. Корпорация планирует достичь к 2020 году объема производства  в 1,1 млрд. квадратных метров мембран в год.
Поскольку главной проблемой производства мембран являются высокие требования к технологическому процессу, выдвигаются высочайшие требования к оборудованию и проектированию,  стабильности партий продукта и профессионализму работников, поэтому в этой области существует монополия четырех компаний: Асахи Касэй, южно-корейской SKI, американских Toray-BSF и Celar. Эти четыре компании производят 70% мембран в мире. Однако, учитывая растущий спрос на литиевые батареи, китайские предприятия, такие как Cangzhou Mingzhu и Senior Technology Material, также стремятся ускорить свое развитие, чтобы поспеть за стремительным  развитием технологий литий-ионных батарей.
Параллельное развитие множества технологий
Двадцать лет назад, во времена появления Windows 95, Ёсино ночью не мог сомкнуть глаз. Сегодня, он все еще полон надежд на перспективы развития литий-ионных батарей.
 «Говоря о литий-ионных батареях, они в настоящее время используется главным образом в двух основных областях: это, во-первых, мобильные продукты, такие как мобильные телефоны и компьютеры, где используется около 2/3 всех литиевых батарей; во вторых, это аккумуляторы для электромобилей. Мир меняется невероятно быстро, согласно нашим данным, если в 2010 году количество электромобилей с литий-ионными батареями было равно нулю, то теперь их почти 30%, в будущем эта доля будет только расти. Появление электромобилей означает появление нового применения для литий-ионных батарей, новых глобальных коммерческих возможностей».
Он не отрицает, что у нынешних автомобильных аккумуляторов имеются некоторые недостатки, но их нельзя свести только к недостаткам технологии литий-ионных батарей, существуют и некоторые объективные причины. В конце концов, мировой опыт в производстве аккумуляторов для ноутбуков превышает 20 лет, а опыт эксплуатации аккумуляторов в электромобилях только начал накапливаться, автомобильная промышленность одновременно пытается и создать эффективный электромобиль, и разработать для него эффективные аккумуляторы.
С другой стороны, автомобиль после выпуска может долгое время находиться на рынке. Обычно полный цикл производства, от проектирования до выпуска, занимает 5 лет. Так, новейшие автомобили 2017 года могли быть спроектированы еще в 2012 году, включая устаревшую конструкцию комплектных литиевых батарей.
Сейчас в этих автомобилях установлены батареи старого типа. Но технический прогресс идет с высокой скоростью, некоторые типы батарей приходится менять каждые три месяца, литий-ионные батареи должны решить эту проблему.
«Иными словами, некоторые полагают, что дальность пробега электромобилей все еще очень мала, и нужно в кратчайшие сроки решить этот вопрос. Я полагаю, что у литиевых батарей действительно есть потенциал в данной области. Однако вы должны понимать особенности разработки автомобилей и циклические характеристики аккумуляторов, для решения этих проблем потребуется время. Например, в 2015 году люди увидели электромобиль с пробегом около 200 километров на одной зарядке, поэтому к 2020 году вы сможете увидеть автомобили с дальностью пробега 400 км. Разумеется, нельзя исключать, что некоторые производители смогут опережать рынок с точки зрения проектирования, разработки и в технологических процессах, тут тоже имеются возможности для прорывов». Ёсино говорит, что дальность пробега на одной зарядке будет увеличиваться, но в какой степени, пока трудно сказать. 
Существует множество типов литий-ионных батарей, на рынке есть литий-феррофосфат, литий-тербий, титанат лития и другие технологические решения.
Ёсино полагает, что с точки зрения увеличения пробега автомобиля на одной зарядке, лучшие перспективы у Li(NiCoMn)O2, но если автовладельцу и пассажирам неважен максимальный ежедневный пробег, а его больше интересуют вопросы безопасности и устойчивости батареи к перегреву, то литий-фосфатные и литий-титанатные батарии будут наилучшим выбором. «Невозможно выделить наилучшую технологию, также нужно принимать во внимание, насколько конкретная технология подходит для использования в автомобиле в точки зрения функциональности, безопасности и других требований, поэтому я считаю, что в течение определенного промежутка времени несколько технологий литиевых батарей будет развиваться параллельно».
Что его еще больше  удивило, так это успехи целого легиона китайских производителей литиевых батарей. «BYD и CATL имеют значительный потенциал в данной сфере, и с точки зрения технологий я смотрю на них весьма оптимистично», - говорит Ёсино. Между японскими и китайскими производителями литиевых батарей есть некоторые отличия. «Основное отличие – в используемых материалах. Японцы дольше занимались исследованиями в области материалов, накопили значительный опыт, поэтому  накопленная экспертиза, конечно же, играет важную роль. Но при этом с точки зрения  сборки, комплектации и внедрения технологических новинок между японскими и китайскими производителями нет больших различий. Важно другое: где используются батареи, в какой стране, на каком рынке, каковы местные потребности».
Он говорит, что в настоящее время основная конкуренция на рынке литиевых батарей идет между производителями из Японии, США и Кореи, также не стоит недооценивать возможности США и Европы, «Я считаю, что в будущем стоит присмотреться к европейским производителям, там могут происходить интересные вещи».