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探究丨鋰電專利的戰爭

2018-11-07 16:43:47??????點擊:

源于科技的進步,人類在20世紀創造的財富超越了之前2000年之總和。科技,是推動這個星球文明進步和經濟發展的決定性力量。過去百年,誕生的科技發明創造璨若星河,其中有兩項被公認為對人類歷史影響至為深遠,其一是晶體管,沒有晶體管就沒有計算機;其二就是鋰離子二次充電電池,沒有這兩項發明,這個世界將無法想象。


每年,鋰電池被應用在新制造出來的數以十億計的手機、筆記本電腦等3C電子產品,還有數以百萬計的新能源汽車和這個地球上所有需要用電充電和便攜設備上,并且隨著數量更多的移動設備被創造出來,以及新能源汽車革命浪潮的到來,上面的數字將至少還要再突破一個數量級。

 

僅僅是鋰電電芯的生產制造行業,全球就已經突破2000億的產值。相信在不遠的未來,突破萬億亦指日可待。

 

巨大的商業利潤像是黑洞,吸引來一切之后再將其扭曲。在這個技術門檻極高的鋰電行業里,誰擁有了以代表核心技術的專利,就意味著擁有了統治整個行業的權杖。于是,圍繞著專利,英、德、美、加、日、中這些全球最重要的國家,和這個世界上多位最著名的科學家,多個頂級大學和研究機構,石油大亨、化工巨頭、車企集團、科技公司和資本財團展開了激烈的糾纏混戰。

 

中國制造了全球一半以上鋰電池。在這里,成百上千家大大小小的鋰電公司一起享用著這桌盛宴,而罔顧核心技術缺失的尷尬和隱患,以及國內缺乏對知識產權的最基本認知,而導致這個行業中幾乎99%的企業沒有一絲專利保護的概念。走過野蠻生長的莽荒時代,當大潮退去優勝劣汰的殘酷法則開始發揮作用的時候,這個行業中大多數沒有核心技術,又免費使用別家專利多年的中國企業,是否會猛然發覺為時晚矣?

 

于是我們看到,一幕幕交纏著國家意志和公司利益,錯節著良知光輝與人性暗淡,充斥著商業間諜加學術詐騙的專利戰爭,從鋰電從一間狹小的實驗室誕生那天起到今天,重復上演。

 

 

1973年10月,阿拉伯世界國家和以色列之間爆發了第四次中東戰爭,以美國為首的西方國家選擇力挺以色列,招致石油輸出國組織(OPEC)的盛。OPEC采取暫停石油出口的懲罰性措施,終于導致了對后世影響深遠的第一次石油危機的爆發。

 

國際原油價格就從每桶不到3美元一路暴漲到超過13美元,當年就翻了兩番,力度空前。這場持續三年的石油危機讓歐美國家的經濟遭到重創,直接觸發了二戰之后全球最嚴重的經濟危機。所有發達國家的經濟增長都明顯放慢,英、美、德、日等國家的經濟增長率甚至跌成了負數。

 

蝴蝶翅膀的煽動,開始發揮作用。

 

這次石油危機不僅成就了以豐田為首的日系車在全球范圍內的崛起,也為今天電動汽車時代的真正降臨埋下了種子。

 

為了能夠抵御OPEC時不時就要拿起來揮舞一番的石油武器,西方國家寄希望于重構出來一套全新的能源解決方案:從研發新一代的二次充電電池開始。在世界上第一塊電池被發明出來一百年后,這個行業終于將要迎來劇烈變革的曙光。

 

其實,充電電池很早就被發明出來并廣泛應用。比如早在1859年法國人加斯頓·普蘭特(Gaston Planté )就發明了鉛酸電池,1899年瑞典人沃爾德馬·尤格爾(Waldmar Jungner )也發明了鎘鎳電池。1890年,在經歷了上萬次失敗的試驗之后,可充電的鎳鐵電池被大發明家愛迪生制造了出來,但在風靡了半個世紀之后,由于成本、功率密度及低溫性能等方面的差距而被鉛酸電池和鎘鎳電池擠出了市場。

 

但即使是鉛酸和鎘鎳電池都存在著致命缺點,容量小、能量密度低、循環壽命短、不支持大電流放電,因體積龐大而不能應用到小型電動產品上,更要命的是廢棄的鉛、鎘和硫酸,都會對環境產生巨大的污染。

 

若要讓作為耗油大戶的汽車擺脫石油,一塊合適電池是基礎條件。

 

沒有想到的是,美國的福特公司最先做了嘗試。

 

那是在1966年,福特做出了一項令世人瞠目轟動一時的舉動,這家因流水線生產而聞名并且把燃油車成功推廣到千家萬戶的汽車巨頭,居然將目光瞄向了電動汽車,甚至還發明了鈉硫電池——由液態的多硫化鈉正極和液態的金屬鈉負極以及固體電解質組成的一款全新化學體系的電池。

 

理論上有著鈉硫電池超出鉛酸電池十幾倍的能量密度以及極高的充電倍率,這給了福特推廣電動汽車以極大的信心:搭載鉛酸電池的電動車最多能跑64公里(40英里),而換成鈉硫電池后就可以輕輕松松跑上320公里(200英里),然后充電一小時,還可以繼續再開320公里!

 

即使是在半個多世紀之后的今天,能夠達到如此性能的電動汽車依舊會讓大多數人流口水吧。

 

但福特的電動汽車夢終究還是變成了一紙黃粱,是因為鈉硫電池的固體電解質的工作溫度區間必須保持在300~350攝氏度,結合當時的技術水平就知道了,如此之高的溫度下隔膜根本就承受不了,并且鈉的熔點是98度,一遇到空氣就會燃燒。

 

雖然那個時候的人們對汽車的安全性還沒有今天這么重視,但畢竟誰都不想在整天在開車時候要時刻跟一大坨有著幾百度高溫,并且隨時都可能燃燒起火的金屬可燃物為伴吧。實際上,直到20年后鈉硫電池才開始真正的商業化應用,并且是在儲能領域。

 

但電動汽車在六十年代的曇花一現以及隨之而來的石油危機不是完全沒有意義,相反其影響深遠。自此之后,無論是大西洋還是太平洋兩岸,無論是各國政府、企業巨頭還是研究機構,以及廣大的物理學家、材料學家和化學家們,都開始以極大熱情去探索一個全新的未知領域:一塊更好的充電電池。

 

由此,鋰——這個星球上已知的質量最輕、元素周期表中排名最靠前的金屬元素,在被發現(1817年被發現并命名為Li)一百多年之后,開始從未有過的變得與人類親密起來。

 

電池行業將迎來一場顛覆性的變革,人類也自此進入到一個全新的時代。

 

 

1968年,27歲的英國人斯坦利·惠廷漢姆(Stanley Whittingham)來到美國,至今就再未離開過。在斯坦福大學做了三年的固態電化學博士后研究員之后,他被埃克森公司(Exxon )招致麾下,開始了“鋰電池之父”的職業生涯。

 

此時,埃克森公司剛剛在新澤西州的林登組建了一家新的研究實驗室,一大批物理和化學界的頂級人才被招攬進來,為的是研發下一代的電池技術。因為這家當時全世界最大的石油巨頭判斷,石油資源將會在不遠的將來枯竭,必須早做打算。

 

同樣有著先見之明的還有貝爾實驗室,一家因發明了晶體管而揚名天下的頂級科技研發機構。就是前后腳的功夫,貝爾實驗室也成立了一個同樣由斯坦福大學的化學家和物理學家組成的研究小組,在下一代電池的研發上,和埃克森展開了分秒必爭的競爭。

 

埃克森對實驗室的研究人員說可以提供他們需要一切,只要是用于研究的,“錢不是問題”。

 

土豪終于迎來回報,在經歷了五年時間極為保密的研究之后,惠廷漢姆和他的團隊終于制成了世界上第一塊可充電的鋰離子電池。他們創造性地采用硫化鈦作為正極材料,金屬鋰作為負極材料,通過鋰離子在電池正、負極之間穿梭往來形成電流。充電時,鋰離子從正極移動到負極,放電則回到正極,如此往復循環。

 

鋰離子電池具有重量輕、容量大、無記憶效應等優點,同時又摒棄了之前的充電電池幾乎所有的缺點,毫不夸張地說是一次質的飛躍。鋰電池輕小的體積和質量為之后更小更便捷的可移動設備創造了誕生的基礎,就連惠廷漢姆當時都不會想到,他創造出來的這枚和硬幣一樣大小的電池和將會給人類帶來何等巨大的改變。

 

1976年,埃克森申請了世界上第一個鋰電池的發明專利,但卻沒有從中受益,因為這家公司沒有為這項偉大的發明找到任何產業化的價值。由于正極材料使用硫化鈦的電化學屬性極不穩定,導致電池在充電過程中非常容易起火爆炸,并且在反復充放電的過程中,電池內部材料會分解破碎,衰減極快。

 

不過這并不影響惠廷漢姆由此獲得極高的聲譽,并就此奠定在圈內的江湖地位。在惠廷漢姆英年得志的時候,故事的大主角約翰·班尼斯特·古迪納夫(John Bannister Goodenough)先生已經54歲了,這位30歲才畢業的物理學博士被前輩評判為不會在學界有什么前途了。

 

在天才輩出的科技圈,歷來都是要講天賦的。伽利略17歲發現鐘擺原理;牛頓20歲創立微積分,24歲提出萬有引力定律;提出相對論那年愛因斯坦才26歲;創立并完善量子理論的時候,海森堡和費米24歲、泡利25歲、狄拉克25歲、薛定諤是最大器晚成的,那年36歲。

 

30歲才拿博士,開玩笑呢?

 

1976年,在麻省理工的林肯實驗室做了若干年不算太得志的研究員之后,古迪納夫抓住一個機會去到英國,在牛津大學的無機化學實驗室擔任主任。這位只修過兩門化學課程的物理學博士,沒有想到他事業真正的開端會是在這里,更沒想到的是會是在電化學領域。

 

 

惠廷漢姆的發明讓業界振奮,但充電燃燒和內部粉碎又極大地困擾著他們。古迪納夫是這其中的一員,但他的思維卻超越了同行們的思維框架。

 

古迪納夫推斷,惠廷漢姆采用了硫化鈦作為儲存鋰離子的正極材料,但充電時鋰離子會一直朝著負極方向轉移,當離開正極的鋰離子達到一定數量之時,硫化鈦正極材料會因為被掏空而自我坍塌,那么解決問題的關鍵就是尋找一種更加堅固的物質來取代硫化鈦了。

 

古迪納夫將目標鎖定在了金屬氧化物(大方向正確是多么的重要!)他和兩名博士后助手系統性地圍繞著元素周期表進行探索,解析不同的金屬元素和氧元素的結合來查明在什么電位下鋰離子可以從這些氧化物中脫出,并且一點一點地摸索出在它們崩潰前能從其中抽出多少鋰離子。

 

直到1980年,也就是四年之后,古迪納夫終于確定了最佳材料是鈷,一種遍布非洲中南部的銀白色金屬。鈷和鋰的氧化物可以在4伏的電壓下支持半數的鋰離子脫出而不坍塌,這對于充電電池來說,足夠了。

 

用于可充電鋰離子電池正極的鈷酸鋰,其性能遠遠優于當時的任何材料,使用鈷酸鋰做正極材料的電池,是市場上任何同類電池載電量的幾倍,由此人類的電池技術終于向前邁出了實質性的一大步。如何評價古迪納夫的歷史性貢獻呢?看看你的手機,還有此刻正在使用的筆記本電腦,以及你手邊有的又沒有的一切你能想到的便攜式設備,為它們提供動力的全部都是鈷酸鋰電池。

 

哦對了,當年特斯拉的第一款汽車產品Roadster,用的也是鈷酸鋰。

 

今天,鈷酸鋰電池幾乎出現在這個世界上幾乎所有的移動產品里面,但是無論是牛津還是古迪納夫,卻都沒有從中賺得一分錢。原因是對于這項日后注定要改變世界的發明,牛津大學居然一點都不感冒。古迪納夫向牛津大學進行專利申報的時候,后者認為這只是一項沒有多大市場應用前景的簡單科研成果,甚至拒絕為其申請專利!

 

而古迪納夫也一向對商業提不起一絲興趣,但他又感覺將這項成果應該會對產業有所用處,扔在實驗室里落灰有點可惜,于是就以極低的價格將這項技術的版權轉售給了英國原子能科學研究中心,一家歸屬于英國原子能管理局的政府實驗室。

 

古迪納夫參加過二戰,也許生死早已看淡,錢財名利也就更是身外之物了。當然,這也就為他在日后陷入一系列專利戰爭,埋下了深深的伏筆。

 

頗為諷刺的是,2010年11月的時候,英國皇家化學會在牛津大學當年的化學實驗室的外墻上設立了一塊藍色牌匾,紀念這里為電池事業作出的偉大貢獻,古迪納夫排在第一位。

 

如果沒有鈷酸鋰會怎樣?舉個最簡單不過的例子,還記得上個世紀80年代中國第一批土豪手里握著的大哥大吧,那像一塊板磚一樣的手機為什么會那么大那么重?就是因為沒有用到鈷酸鋰。為什么在80年代鈷酸鋰電池沒有被迅速地產業化,這是因為還有一個亟待解決的問題:電池負極。

 

當時鋰電池的負極材料使用的還是鋰金屬,用鋰金屬作負極的電池可以提供相當高的能量密度。但是這種鋰電池又存在著很大的問題,一來金屬鋰會和有機電解液發生反應,使負極材料逐漸粉末化直至最終失去活性,二來電池在充放電過程中內部會生長出鋰枝晶,從而有可能刺穿隔膜導致電池發生短路甚至燃燒爆炸。

 

在鈷酸鋰誕生之后的十年之間里,鋰離子電池發展進程異常緩慢最主要原因就是沒有找到合適的負極材料。有研究人員試圖通過使用鋰和其它金屬的合金或者化合物來代替金屬鋰,但是發現在充放電循環中鋰合金會發生體積變化導致電池容量很快衰減。

 

問題非常棘手,日本人,該你們上場了。

 

日本的電子電器業巨頭索尼公司同樣對電池技術保持著極大的興趣,從80年代就開始著手研發布局,并密切關注全球動態。沒有資料顯示索尼是何時從何人手中拿到鈷酸鋰這項技術的,但可以確定的是這項被英國人束之高閣的技術在日本人那里卻如同至寶。

 

這一頁將被寫進歷史:1991年索尼發布了人類歷史上第一個商用鋰離子電池,這家公司把幾節鈷酸鋰18650圓柱形鋰電池裝進最新款的CCD-TR1攝像機里的時候,整個世界的消費類電子產品的面貌從此將被徹底改寫。


做出了決定性貢獻的是吉野彰(Akira Yoshino),他開創性的用碳(石墨)代替金屬鋰作為鋰電池的負極,結合鈷酸鋰正極,從根本上改善了鋰電池的容量、循環壽命,以及降低了成本,為鋰電池的成功產業化助推了最后一把力。

 

題外話,80年代末和索尼就鋰電池商業化展開激烈競爭的是另一家日本化學和材料巨頭旭化成公司,只可惜晚了一步。但在1992年,旭化成就和東芝成立了合資公司,開辟了鋰電池業務。

 

1999年,在東莞新科磁電廠當到工程總監的曾毓群辭職創業,建立了一家叫做新能源科技有限公司(AmperexTechnologyLimited,ATL)的電池公司,ATL最初的技術來源正是前面提到的貝爾實驗室。在和埃克森競爭失利之后,這個大佬貌似已經在鋰電江湖里沉寂許久了。但你若要就此小瞧這家被稱為諾貝爾獎得主搖籃的科研機構,就大錯特錯了。

 

在索尼推出鋰離子電池之后,貝爾實驗室成功拿下了聚合物鋰電池的專利。聚合物電池跟其他鋰電池的正負極材料以及工作機理相同,最重要的區別就在其電解液是凝膠狀固態而非液態的。電解液變成固態之后最大的好處就是鋰電池可以做到更輕更薄。而為了繞開索尼公司的圓柱形專利,貝爾實驗室還發明了軟包這種封裝形式。

 

對于這項專利,貝爾實驗室采取來者不拒廣撒網的策略,在全球范圍內向包括ATL在內的二十多家公司出售了專利:先交一筆授權費,之后買賣出一塊電池在從銷售額中抽成。

 

但是貝爾實驗室沒有說這種軟包聚合物電池存在一個巨大的問題,就是一充電就鼓包脹氣。最后就連貝爾實驗室都說,這個是材料的本質問題,無解。

 

接下來的故事大家都知道了,曾毓群通過改進電解液配方把問題解決了,ATL也成為獲得專利授權的20多家公司中唯一成功量產的一家。之后就是大風起兮云飛揚,手機開始普及,ATL開始順風順水,先是在2004年拿下蘋果MP3的電池訂單,從2007年第一代iPhone發布起,ATL至今都是蘋果的電池供應商。

 

以手機和筆記本電腦為代表的數碼產品時代,正式到來。

 

題外話,到今天,ATL是占到一半市場份額的全球最大的聚合物鋰電池供應商。雖然之后被日資收購,但我們不能抹滅這家公司在鋰電池實現國產化的歷史進程中起到的關鍵性作用。打個比方,ATL已然是中國本土鋰電行業的黃埔軍校。

 

 

歷史的車輪繼續轉動。

 

鈷酸鋰電池雖然有著諸多優勢,但隨著大規模的應用,其缺點也開始暴露出來:首先就是成本高,因為鈷畢竟是一種價格昂貴的小金屬;其次是抗過充和循環性能差;最后就是廢棄污染嚴重。

 

所以在發明了鈷酸鋰之后,為了找到一種比鈷便宜的替代金屬,同時尋找一個更利于鋰離子高效運動的結構。古迪納夫和他的學生邁克·薩克雷(Mike Thackeray)緊接著又開始了對一種比鈷酸鋰更好的正極材料的尋找。

 

鈷酸鋰正極材料中的原子是凸一層層堆疊起來的片層架構,充放電過程中鋰離子只是在這些片層之間來回脫嵌。古迪納夫想到了尖晶石(又一個正確的方向),他認為尖晶石結構的原子排列的方式允許鋰離子可以在三維空間中進行擴散,也就是尖晶石允許鋰離子通過多個通道中往返,從而大幅度提高鋰電池的充放電倍率。

 

1982年,薩克雷發明了一種開創性的錳基尖晶石,即之后被日系車企大批量應用到電動汽車之上的錳酸鋰電池。此后,薩克雷跳到美國的阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory, ANL)任職,專注于鋰電池的研發。而ANL在此后的專利大戰中,還有更重要的戲份。

 

1986年,在從牛津大學回到美國,擔任德克薩斯大學奧斯汀分校的科克雷爾工程學院機械工程和電氣工程系的教授之后,古迪納夫開始了下一個探索之旅,同時也將深陷有史以來最大的專利大戰之中。

 

1993年,當古迪納夫和他的團隊正在專心致志地徜徉在材料化學的奇幻海洋中時,他的實驗室來了一位叫岡田重人的訪問學者(沒錯,日本人),岡田在此之前是日本國內的電話巨頭日本電報電話公共公司(NTT)的移動通信工程總監。

 

古迪納夫沒有多想,就讓岡田留了下來,因為這本來就是學術界很正常的交流活動,更何況NTT還給實驗室提供了一批實驗經費。

 

但是很快,古迪納夫就會認識到天下沒有白來的午餐,七十多歲的古迪納夫非常痛苦的認識到,雖已過古稀之年,但自己仍舊是 too young,too simple。

 

古迪納夫和他的團隊繼續尋找這可以代替鈷酸鋰的更優秀的正極材料物質,他們開始系統地調換周期表里的各種金屬元素,最終將名單縮小到最后的一個目標——鐵和磷的組合。

 

最終,鐵和磷沒有形成古迪納夫想要的尖晶石構型,但是卻無心插柳地組成了另外一種晶體結構——橄欖石。即鈷酸鋰、錳酸鋰之后,鋰離子電池的第三種正極材料就此誕生:磷酸鐵鋰。

 

是的你沒看錯,這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,而這里也成了世界鋰電池的搖籃。

 

這次,古迪納夫就算是再遲鈍,也很快認識到了這項發明的重要性,他認為這個研究成果絕對會震驚世界。但萬萬沒想到的是,在古迪納夫帶領團隊在研發的第一線奮戰的時候,他們的研究成果被源源不斷地通過岡田傳回了日本。

 

岡田的雇主NTT公司,在當年(1995年)11月就悄無聲息地申請了專利,也許是做賊心虛以及不想在美國引起麻煩,NTT申請的只是日本的專利。

 

但這依然讓古迪納夫感受到震驚和憤怒,直到第二年聽到消息之后他才反應過來,所謂的訪問學者原來就是日本公司派來竊取研究情報的間諜。

 

磷酸鐵鋰電池具備的成本低、充放電效能高、使用壽命長、熱穩定性高等優勢,使這種正極材料擁有著巨大的市場潛力。

 

1996年,德州大學代表古迪納夫的實驗室向美國申請了專利,并在1997年10月被批準,這項編號為WO 1997040541的專利是磷酸鐵鋰電池的第一個基礎專利。

 

很快,另一位世界級的鋰電科學家米歇爾·阿爾芒(Michel Armand)也加入了近來,這位法國人被公認為世界鋰電池產業的奠基人之一。這位大佬在1980年提出“搖椅式電池”概念(鋰離子電池的基本運行理念),索尼正是基于這個概念,于1990年成功完成了世界第一歌鋰離子電池的商業化。

 

阿爾芒提出了用1%的碳對磷酸鐵鋰進行包覆,從而有效解決了磷酸鐵鋰材料導電性能差,不適宜大電流重放電的問題。經過包碳之后,磷酸鐵鋰電池可以在80℃和1C倍率的條件下,達到160mAh/g的容量,并且具有較好的導電性能。

 

解決了這個問題之后,阿爾芒和古迪納夫共同申請了磷酸鐵鋰包碳技術的專利,這就是第二個磷酸鐵鋰的基礎專利,這項專利讓磷酸鐵鋰電池從實驗室走向市場變成了可能。

 

這兩項專利,是磷酸鐵鋰技術路線無論如何都無法繞行的兩大核心技術專利。

 

這期間,阿爾芒正好在加拿大蒙特利爾大學擔任化學系的教授,所以就在當地創建了由加拿大國家公共事業魁北克水力公司(Hydro-Quebec,H-Q)投資的的Phostech Lithium公司。

 

由此,H-Q和Phostech成為獲得這兩項磷酸鐵鋰的基礎專利獨家授權的單位。

 

但是,由于太多說不清道不明的原因,古迪納夫老爺子的核心技術早已通過各種各樣的渠道,散布到全世界各地去了。

 

 

2001年,德州大學和H-Q公司首先把NTT告上法庭,指稱后者的磷酸鐵鋰的專利是其派商業間諜以非法方式獲得,而NTT堅稱其專利是其科學家(岡田重人)回國后自行研發的辛勤結晶,跟德州大學沒有絲毫關系。

 

NTT背后有日本政府撐腰,雙方陷入到一場看似無休止的拉鋸戰之中。但對于德州大學和古迪納夫以及H-Q來說,更悲催的是還在后面,磷酸鐵鋰開始在全球遍地開花,他們即將陷入到多線作戰之中。

 

這場圍繞磷酸鐵鋰核心技術的專利混戰,將越來越多的實力公司牽扯了進來。

 

2006年,全球最大的手持電動工具巨頭Black & Decker(B&D)推出了一款799美元的產品組合DCX 6401 Combo Kit(其中各產品可單獨銷售),這套產品由于采用了磷酸鐵鋰電池而不再需要電線,并且實現了1小時高速充電、功率大幅提升、高安全性以及2000次以上的電池循環壽命,顛覆了全球全球電動工具市場。

 

所以一經推出就大賣,上市第2個季度就創下2000萬美元的銷售成績,打破B&D自1843年創立以來的銷售紀錄。

 

而B&D這款產品所用電池的供應商是一家2001年才成立的初創公司,名字叫A123 Systems。

 

在磷酸鋰鐵技術被發明出來5年時間之后,麻省理工的一位材料科學與工程學教授蔣業明(Yet-Ming Chiang)(來自臺灣)創辦了這家磷酸鋰鐵電池公司A123。A123剛開張時,總員工數只有5人,美國能源部提供的10萬美元科技項目經費以及從學校拿出來的0.5克材料。

 

短短幾年之后,到2006年,A123的資本額就激增到1.02億美元,員工人數超過250人,手握超過1億美元的大訂單。這家因為號稱擁有納米制程技術(將磷酸鋰鐵正極材料制造成均勻的納米級超小顆粒,因顆粒和總表面面積劇增而大幅提電池的高放電功率)而紅極一時,背后更是得到了美國能源部、摩托羅拉、通用汽車、高通、P&G和紅杉創投等巨頭的巨額投資。

 

業界人士曾這樣評價蔣業明:“這是一個非常擅長營銷的商人。”

 

美國的Valence公司也開始生產磷酸鐵鋰電池,而向來唯美國科技馬首是瞻的臺灣地區以及中國大陸,也開始用“鴨子劃水”的方式投身到磷酸鐵鋰產業。例如僅僅在臺灣,就有上千家大大小小的電池廠,幾乎全部都沒有獲得專利授權。

 

更要命的是,有些公司利用開始在各地瘋狂的搶注專利,許多在臺面下不愿曝光的從業者甚至也取得了足以和兩大基礎專利對抗的技術專利。

 

磷酸鐵鋰電池的生產在全球遍地開花,然而古迪納夫卻沒有收到一分錢的專利使用費,一來沒有人愿意跟一家深陷專利訴訟官司的機構合作,二來正好可以渾水摸魚,免費拿來使用,誰會主動付你專利費?

 

這期間,德州大學-H-Q公司的“維權聯盟”中加入了一個實力戰將,南方化學(SUD- CHEMIE)。這家全球最大的化學磷肥巨頭收購了Phostech,從而間接擁有了兩項基礎專利的授權。這家時年已經150歲的德國老公司當時正在積極尋求轉型,對鋰電池的興趣要遠遠大于肥料。這家公司的CEO甚至揚言,磷酸鐵鋰電池業務在3年時間之內要達到其總營收的50%。

 

德州大學-H-Q-南方化學“維權聯盟”開始舉起法律的武器四處出擊了。他們將NTT、A123以及Valence告上法庭,訴訟侵權公司對其損失進行賠償,每家高達3.5億~5億美元,對NTT特別要求重罰到10億。

 

最終的結果是,“維權聯盟”和NTT最終以庭外和解結案。德州大學承認“NTT并未竊取其技術機密”,但是NTT被迫將所擁有的磷酸鐵鋰電池材料專利授權給德州大學。此外,NTT還支付了3000萬美元的和解金。

 

對外授權專利的一方反而向對方掏錢,其實也就意味著NTT默認了偷竊古迪納夫技術的事實。

 

但和A123的官司卻以失敗為告終,原因是A123背后的靠山實在是過于強大,不僅有美國能源部這樣的官方背景,還有通用汽車這樣的巨頭扶持。作為關系到未來國際競爭力的新能源產業的關鍵領域,美國這樣的大國怎么會不樹立起一兩家標桿企業呢?

 

而且通用即將在2010年推出Volt,這款被其寄予厚望的純電動汽車采用的就是A123的磷酸鐵鋰電池。如果A123敗訴,Volt也將陷入侵權糾紛。這顯然也是美國政府不愿意看到的。

 

這之后,“維權聯盟”又把手伸向了中國臺灣,在這座不到4萬平方公里的小島上分部了大大小小的上千家電池廠,其中絕大多數都沒有專利授權。因為臺灣出產的電池幾乎全部用來出口,所以為了避免專利糾紛,這些臺灣企業都選擇了“花錢消災”的方式處理此事。

 

但那些在本土市場就能就地消化的公司,在本國政府的保護下,待遇就不一樣了。因為專利的戰爭,本質上就是國與國之間的較量,在保護知識產權的漂亮外衣之下隱藏著的,其實正是國家利益和商業利益的考量。

 

 

全球各大車企都將新能源技術作為未來發展的方向,電動汽車也成為各方爭奪的焦點領域,發展電動汽車也已經成為越來越多國家普遍形成的共識。而這次為了磷酸鐵鋰電池專利,歐洲與美國之間也終于撕破了臉面。

 

2009年12月9日,歐洲專利局裁決,撤銷授予美國德州大學對磷酸鐵鋰電池的歐洲專利擁有權,同時也裁決古迪納夫教授等人在歐洲不擁有該項專利的發明權。

 

此前,德州大學就磷酸鐵鋰電池專利,已經在美、日、德、意、英、法、加七國申請了專利保護。為了保護本國的電池和汽車產業,一紙判決書說撤銷就撤銷了,這是不是有點耍流氓?

 

在中國,2003年3月,H-Q公司以國際申請專利為基礎進入中國,向中國國家知識產權局提出名稱為“控制尺寸的涂敷碳的氧化還原材料合成方法”的發明專利申請,2008年 9月國家知識產權局正式批準,授予其CN100421289C的專利。

 

H-Q公司所獲得專利共125項權利要求,覆蓋了包括磷酸鐵鋰等多種正極材料及其主要制造技術。這意味著,中國境內所有在產的磷酸鐵鋰電池公司都屬于侵權了,都需要向H-Q公司繳納專利使用費。

 

隨即,H-Q公司開始廣撒“英雄帖”,要求中國公司向其一次性繳納1000萬美元專利入門費或者是每噸磷酸鐵鋰材料繳納2500美元。

 

2010年8月,中國電池工業協會向國家專利復審委員會提出加方專利無效請求,以“專利不具有新穎性”、“專利技術缺乏創造性”、“專利文件修改超范圍”、“專利權利要求得不到說明書支持”等7方面理由向中國專利復審委員會提出請求裁定加拿大公司專利無效的申請。

 

2011年5月28日,國家專利復審委員會對加拿大魁北克水電等公司的發明專利做出無效決定,對修改后的111項權利要求宣告全部無效。國家專利復審委員會給出的專利無效理由:一是授權文本的修改,超出了原始申請文件記載的范圍,不符合我國專利法第33條的規定;二是授權文本的權利要求方案得不到說明書的支持,不符合我國專利法第26條第4款的規定。

 

成百上千家相關公司舒了一口氣,國家利益至上,在此不做評判。

 

“維權聯盟”在全球范圍內四處揮劍,牽涉多個國家和公司的磷酸鐵鋰專利混戰如火如荼的時候,磷酸鐵鋰還被認為是最適合為電動汽車提供動力的電池,但是他們沒料到的是,一種結合了鎳酸鋰、鈷酸鋰和錳酸鋰三者優點的一個全新的正極材料體系,已經在加拿大的一家實驗室里悄然誕生。

 

2001年4月的一天,加拿大達爾豪斯大學的物理學教授兼3M集團加拿大公司的首席科學家杰夫·達恩( Jeff Dahn)發明了可以規模商業化的鎳鈷錳三元復合正極材料,從而使這種材料突破了走向市場的最后一步。

 

其實,早在三元體系及制備方法就被提了出來,例如1997年9月日本電池株式會社發明了采用共沉淀法制備鎳鈷鋁三元材料;1999年11月日本中央電氣工業株式會社發明了共沉淀法制備陽離子摻雜的鎳鈷錳三元材料;2000年9月美國IIion Technology公司發明出采用固相法制備三元材料的技術。

 

但受制于當時的材料技術和設備工藝水平,這些技術都只能存在于實驗室的瓶瓶罐罐之中。

 

但至今業界公認杰夫·達恩是三元材料技術的真正開創者和發明者,這是因為達恩精確限定了NMC鎳錳鈷材料中鎳的含量,從而顯著提高了三元材料的性能。2001年4月27日,3M公司向美國申請并在2005年11月15日獲得了編號為US6964828B2的專利,從而成為三元材料的基礎核心專利。基礎專利意味著,只要是在三元體系下,就是誰都繞不過去的。

 

而幾乎在同一時期,美國的阿貢國家實驗室(ANL)也在2001年首次提出了富鋰的概念,并在此基礎上發明了層狀富鋰高錳三元材料,且在2004申請成功專利。ANL鋰電研發的負責人就是前面提到的,古迪納夫的學生,發明了錳酸鋰的薩克雷。

 

2012年,特斯拉開始爆發漸勢崛起的勢頭,馬斯克開出數倍高薪從3M的鋰電研發部門挖人。借此機會,3M順水推舟,采取人走但是專利權留下的策略,徹底將電池部門解散,開始通過對外輸出專利和技術合作的方式賺取更高的利潤。

 

3M選擇的合作伙伴是比利時的優美科公司(Umicore),當今世界最大的電池正極材料供應商。雙方采取深度綁定策略,優先向對方提供專利授權和技術合作,并且退出正極材料生產領域的3M還會把客戶推薦給優美科。

 

除了優美科之外,3M將專利授權給了包括松下、日立、三星、LG、L&F和SK在內的多家日韓鋰電企業,以及中國的杉杉、湖南瑞翔和北大先行等正極材料企業,總數有十幾家之多。

 

而ANL的專利只授權給了三家:德國化工巨頭巴斯夫、日本正極材料廠戶田工業以及韓國的LG。

 

為什么3M和ANL手中掌握的都屬于三元體系之中的核心專利,但在市場接受度上卻有著如此之大的差距?

 

因為這兩項專利側重點存在著很大的差異,3M的技術側重于化學計量比的常規三元材料,而ANL的富鋰高錳層狀正極材料至今還存在著一些難以克服的技術瓶頸,所以產業界普遍認為ANL的技術路線實現規模產業化的可能性不大,作為動力電池應用到電動汽車上的的可能性更是微乎其微。

 

兩相對比,業內大多數公司都選擇向3M購買更具商業價值的三元材料專利授權。而巴斯夫雖然花了大代價和ANL結成產業同盟,站隊富鋰高錳路線,然而身體卻很誠實,其真正批量生產的三元正極材料正是化學計量比的技術路線,也就是說本質上買了ANL專利的巴斯夫卻用的是3M的專利技術,這算典型的侵權啊。

 

但就是這樣,讓所有人都想不到的是,2015年4月初,巴斯夫居然反咬一口把優美科給告了,稱其侵犯了ANL和他的專利權。

 

就這樣,全球兩大頂級的產學研聯盟,一邊是巴斯夫-ANL-薩克雷,一邊是優美科-3M-杰夫·達恩,一邊是德美同盟,一邊是比美聯軍,圍繞著三元材料的核心專利,正式開戰。

 

 

巴斯夫和ANL這樣做,都是被逼的。

 

巴斯夫,這家業務遍及全球,年營收近千億歐元卻依舊堅持把總部萊茵河畔的路德維希港的全球第一化工巨頭,近些年來在其重注的新能源業務上卻連栽跟頭。

 

這個世紀的前十年,巴斯夫把賭注壓在了氫能和燃料電池上,其決策層認為未來傳統汽車的轉型方向無疑是氫燃料電池。這家以石油化工為主業的公司轉型新能源的決心換來瘋狂收購,僅僅是2006一年,就接連拿下了美國特種化工品公司Engelhard和德國燃料電池初創公司Pemeas,并且在當年就成立了專門的燃料電池分公司。

 

但后面的事實證明,很顯然巴斯夫上錯了牌桌。因為僅僅在一年之后,全球范圍內除了像豐田這樣的極少數派至今仍舊在堅持以外,歐美主流車企幾乎可以說全部都放棄了燃料電池汽車路線。巴斯夫首當其沖,燃料電池難以為繼,至今處于半死不活的狀態。

 

眼見氫燃料電池路線失敗,不認栽的德國人立刻轉換到鋰電池路線上來,進而又是一場大收購:2012年2月,美國鎳氫電池公司Ovonic和電解液公司諾萊特(Novolyte );2012年11月,美國貝克安德伍德(becker underwood)公司;2015年4月,德國默克集團(Merck KGaA)的全球電子化學業務。在花了十幾億美元之后,在整合了自己在總部原有的鋰電正極材料部門的基礎上,正式成立了包括鎳氫電池和鋰離子電池(正極材料和電解液業務)的電池材料部。

 

但因為協調和整合全球多個分公司的不順暢,以及對新業務好不熟悉的德國總部犯了一系列決策失誤,導致巴斯夫在鋰電正極材料的業務上數年時間沒有進展。以中國市場為例,在動力電池搶到瘋的2015年,這家有著做著全球第一正極材料供應商美夢的化工巨頭只賣出了區區幾百噸的三元正極材料。

 

而同一時期,同行優美科的正極材料生意做得風生水起,不讓巴斯夫眼紅是不可能的。

 

而此刻他的盟友ANL的處境也好不到哪去。作為美國能源部(DOE)的主管科技研發業務的親兒子,ANL在過去若干年花了DOE數億美元的研發經費用來研發鋰電池,而花公款是要向納稅人給個交代的。

 

幾億美元的投入換來的卻是一紙不能產業化的專利證書,這萬萬是交代不過去的。實際上,整個2015年,一直有傳聞說對研究成果頗為失望的DOE將大幅度削減鋰電項目資助,鬧得ANL內部人心惶惶。

 

于是乎,巴斯夫和ANL這對一個賣不出正極材料,一個賣不出正極材料專利的難兄難弟,終于將矛頭指向了共同的敵人——此刻正風生水起的優美科和3M。

 

于是在2015年4月,巴斯夫正式向美國國際貿易委員會(ITC)和特拉華州威爾明頓地方法院提起訴訟,指控優美科侵犯了其兩項鋰電池專利權。巴斯夫起訴優美科,顯然能夠得到以下幾點好處:一、轉移公眾視線和行業注意力,占據輿論高點而化被動為主動;二、一旦勝訴,不但會贏得行業聲譽,還有巨額的侵權賠償款,在向法院提交的文件中,巴斯夫可是說“優美科的侵權行為已經對他造成數十億美元的經濟損失呢”;三、一旦贏了官司,以后偌大的美國市場就都是巴斯夫和ANL的了。

 

過程很復雜,直接說結果,巴斯夫和ANL勝訴,ITC裁決禁止由優美科制造生產的或代表其制造生產的,進口的或代表其進口的侵權鋰金屬氧化物正極材料未經許可在美國境內銷售。

 

業界噓聲一片。

 

后人分析,ITC罔顧基本科學事實閉眼瞎判是出于兩點考慮:一、DOE以官方身份介入了這場知識產權糾紛以保存自己和ANL的顏面;二、當時巴斯夫已經投重資在美國俄亥俄州建設了一座正極材料工廠,這無疑是個重要的加分項。

 

這場官司再次證明,涉及戰略產業的知識產權審判,往往其決定作用的不是基于科學和事實,而是大國間出于長遠經濟利益的考慮。政府通過干預司法而掌握知識產權戰略的制高點,已不算什么秘密。

 

啟示

 

、越是尖端科技的研發,越要重視專利的保護。專利是最核心的機密和利益相關。

 

、無論是磷酸鐵鋰還是三元材料,核心技術以及核心專利都沒有在中國人手里。基礎材料科學容不得半點虛假,靠的是一個國家和民族長久以來的堅持和投入。中國在鋰電池研發上的投入與日本相比,人力上是1/10,資金上是1/100。扎實刻苦搞研發需要的是平常心和恒心,快速發財的心態要不得,只有更扎實更長期的努力,才能做出成績。

 

、尊重知識產權,我們不一定要通過研究繞過別人專利、或者推翻別人的專利才算勝利,找到適合自己發展的方式與途徑才是正道。鋰離子電池經過第一代鈷酸鋰和第二代磷酸鐵鋰和三元鋰,正在朝著第三代邁進。前兩代的核心技術和專利都被外國公司瓜分完畢,中國由于起步較晚而沒有先發優勢。

 

、中國或許可以通過提前布局,努力在下一代實現超越。但是也必須認識到,一般電池材料情況是:五年時間的基礎研究,五年的應用研究,五年的產品開發,所以我們必須做好打持久戰的準備。

 

后記

 

時年已九十有六的古迪納夫老爺子依舊站在科技前沿和帶學生的第一線,這是一位淡薄了名利,如春風化雨一般的老人。每年的諾貝爾化學家,這位科技巨擘都是最熱門的人選,但又每年陪跑,希望老爺子能夠在有生之年獲得這一殊榮,雖然我們知道他壓根就不在乎這個。老爺子至今心心念念的是在活著的時候,對下一代的固態電池做出實質性的貢獻。


祝福老爺子。

 

吉野章是每年陪著古迪納夫老爺子陪跑諾獎的業界泰山北斗,目前也致力于推動下一代鋰電池的技術進步。

 

杰夫·達恩至今活躍在產業前沿,雖然正在奔七,但卻依舊堅持一周工作六天時間,堅持帶學生,堅持做實驗,令吾輩汗顏。

 

2009年,A123 IPO成功,股價在交易第一天飆升50%,但在經歷短暫輝煌之后,之后3年時間就破了產,落得個最后被中國萬向集團收購的結果。應了那句老話:起得來,落得也快。

 

今天,無數的產業人士還在為著鋰離子電池能夠有著更高的能量存儲能力、功率能力、更好的循環壽命和安全性能,以及降低其成本而不懈努力。

 

謹以此文致敬:世界鋰離子電池產業開創者,為推動人類科技和歷史進程做出卓絕貢獻的,品節高貴無私的,今天依舊勤勉、踏實、低調地堅持奮戰在鋰電研發第一線的約翰·班尼斯特·古迪納夫(John Bannister Goodenough)、吉野章和杰夫·達恩(Jeff Dahn)。

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