Попытки создать и внедрить литий-ионные аккумуляторы предпринимались множеством компаний, однако на протяжении десятилетий ни одна из них не смогла довести разработку до стадии массового коммерческого применения. Переломным моментом стало участие компании Sony, которой впервые удалось успешно реализовать эту технологию на рынке.
В настоящее время, спустя полвека после появления концепции литий-ионного аккумулятора, можно с высокой степенью уверенности оценить его значимость. Этот тип батарей используется в огромном количестве устройств: от ноутбуков и смартфонов до электроинструментов и электромобилей. Глобальный рынок литий-ионных аккумуляторов оценивается в $45 млрд ежегодно, а прогнозируемый объем в течение ближайших десяти лет может превысить $100 млрд.
Тем не менее, несмотря на потенциальную технологическую революцию, литий-ионные аккумуляторы на протяжении почти двадцати лет оставались преимущественно предметом лабораторных исследований. Ряд компаний в США, Европе и Азии пытались разработать эффективные и безопасные аккумуляторы, однако эти попытки не приводили к прорыву.
Одним из первых рабочих прототипов считается аккумулятор, разработанный в 1972 году Стэнли Уиттингемом, сотрудником компании Exxon. Этот ранний вариант батареи, несмотря на демонстрацию на выставке электромобилей в Чикаго в 1977 году и ограниченное применение в часах, не получил широкого распространения и вскоре был снят с производства.
Разработка Уиттингема вызвала интерес научного сообщества, и её продолжили исследователи по всему миру. Однако в течение последующих пятнадцати лет не удалось добиться значимого технологического прогресса, необходимого для коммерциализации. Лишь позже технология получила развитие в благоприятных условиях и под управлением компаний, способных реализовать потенциал этих аккумуляторов.
Кто первым изобрел литиевый аккумулятор?
В начале 1970-х годов аналитики Exxon прогнозировали достижение глобального пика добычи нефти к 2000 году и последующее её снижение. В связи с этим перед научным подразделением компании была поставлена задача разработки альтернативных источников энергии, не связанных с углеводородами.
Осенью 1972 года к исследовательской группе в Нью-Джерси присоединился британский химик Стэнли Уиттингем. Уже к декабрю он представил прототип аккумулятора, в котором использовался катод из дисульфида титана и жидкий электролит, содержащий ионы лития.
Новая батарея работала по принципу интеркаляции — внедрения ионов в кристаллическую решетку материала электрода. Это обеспечивало ей уникальные свойства: она была перезаряжаемой и обладала высокой удельной энергоемкостью. В то время как никель-кадмиевые аккумуляторы обеспечивали напряжение около 1,3 В, разработка Уиттингема достигала 2,4 В.
В начале 1973 года Уиттингем был приглашен в головной офис Exxon в Нью-Йорке, где кратко представил свою разработку членам совета директоров. В январе 2020 года он вспоминал: «Я пришел туда и объяснил все минут за 5, максимум 10. А неделю спустя они ответили, что хотят инвестировать в это».
После публикации результатов в журнале Science компания Exxon начала производство дисковых аккумуляторов. Одним из первых коммерческих применений стала установка таких батарей в наручных часах с солнечной подзарядкой, выпускаемых швейцарским производителем Ebauches.
Однако к концу 1970-х годов интерес Exxon к альтернативным источникам энергии начал снижаться. Руководство компании пришло к выводу, что технология не имеет перспектив для масштабного внедрения. В результате лицензии на разработку были переданы трем компаниям — в Азии, Европе и США.
По словам Уиттингема, причиной такого решения стало отсутствие рынка: «Наше изобретение опередило свое время». Этот случай стал первым из ряда неудачных попыток коммерциализации литиевых аккумуляторов, предшествовавших их массовому распространению.
Оксфорд принимает эстафету
После Уиттингема ключевую роль в развитии литиевых аккумуляторов сыграл Джон Гуденаф, перешедший в 1976 году в Оксфордский университет. Он был знаком с работами Уиттингема, защитившего докторскую диссертацию в этом же университете, и особенно заинтересовался его публикацией 1978 года — статьёй «Химия интеркаляционных соединений». Этот материал укрепил Гуденафа в убеждении, что технология литиевых аккумуляторов обладает высоким потенциалом. [Гуденаф скончался 25 июня 2023 года в возрасте 100 лет.]
Совместно с исследователем Коичи Мизушимой он приступил к созданию батарей, в основе которых лежал принцип интеркаляции ионов лития. К 1980 году они заменили катод из дисульфида титана, использовавшийся ранее, на литий-кобальтовый оксид. Это дало значительный прирост в характеристиках устройства: напряжение аккумулятора возросло до 4 вольт.
В поисках поддержки Гуденаф разослал письма производителям аккумуляторов в США, Великобритании и континентальной Европе. Об этом он писал в своих мемуарах «Свидетель благодати» (Witness to Grace), однако его предложения остались без ответа.
Попытка получить финансовую поддержку на оформление патента от Оксфордского университета также завершилась неудачей. В то время университет не занимался вопросами патентования, передавая подобные задачи коммерческим структурам.
Несмотря на отказ, Гуденаф продолжил работу. Он обратился в государственную лабораторию Atomic Energy Research Establishment (AERE) в Харуэлле, расположенную недалеко от Оксфорда. Лаборатория согласилась финансировать патентование, но при условии отказа изобретателя от прав на изобретение. Ученый согласился, и в 1981 году патент был зарегистрирован от имени AERE, но без какой-либо материальной выгоды для Гуденафа.
Однако руководство лаборатории не оценило значимости изобретения. Получив права на патент, они фактически забыли о нём, не предпринимав никаких действий по его коммерческому использованию.
Asahi Chemical вступает в игру
Новый этап в истории технологии начался с участия Акиры Йошино, 34-летнего химика из японской компании Asahi Chemical. Он проводил эксперименты с анодами на основе электропроводящего полиацетилена и искал совместимый катод. В своей автобиографии «Литий-ионные аккумуляторы открывают дверь в будущее. Скрытые истории изобретателя» (Lithium-Ion Batteries Open the Door to the Future, Hidden Stories by the Inventor) Йошино описывал, как в конце 1982 года он обнаружил статью, в которой Гуденаф с соавторами описывал катод из оксида лития-кобальта. Это побудило его протестировать это решение в собственной разработке.В рамках экспериментов Йошино с коллегами объединили катод Гуденафа с различными анодами, включая пластиковые и углеродные материалы. Лучшим оказался анод из нефтяного кокса — формы углерода, производимой из нефтепродуктов.
В отличие от литиевого металла, использовавшегося в ранних моделях и обладавшего высокой реактивностью, углеродный анод обеспечивал значительно более безопасную эксплуатацию аккумулятора.
Однако Asahi Chemical, будучи химической, а не инженерной компанией, не располагала производственными мощностями и необходимыми технологиями для масштабного выпуска батарей. Исследователям удалось создать лишь лабораторный прототип.
Решение производственной задачи взял на себя руководитель исследовательского подразделения компании Исао Курибаяси. В книге «A Nameless Battery with Untold Stories» он описывает, как вместе с коллегой посетил США в поисках технологических партнёров. Им посоветовали обратиться в небольшую компанию Battery Engineering в Бостоне, располагавшуюся в переоборудованном грузовом гараже. Эта фирма специализировалась на производстве специализированных аккумуляторов для военной и промышленной техники.
В июне 1986 года Курибаяси вместе с коллегой прибыл в Бостон и без предварительного уведомления посетил компанию Battery Engineering. Они привезли с собой три ёмкости с суспензией: одну с катодным материалом, другую с анодным и третью — с электролитом. Исследователи обратились к соучредителю компании, Николе Маринчичу, с просьбой на их основе изготовить стандартные цилиндрические элементы, аналогичные тем, что применялись в бытовых фонариках.
«Они сказали, что если я хочу работать над их батареями, то не должен задавать вопросов, — вспоминал Маринчич в интервью 2020 года. — Не сообщили, откуда они и с какой целью обратились, и я не стал уточнять».
Позже представители Asahi Chemical также попросили Маринчича сохранять конфиденциальность в отношении проекта. До 2020 года даже сотрудники его собственной компании не знали, что принимали участие в производстве первых предсерийных литий-ионных аккумуляторов.
За изготовление партии из 200 батарей формата С Маринчич получил 30 тысяч долларов (в пересчёте на 2020 год — около 83 тысяч долларов). Спустя две недели Курибаяси с коллегой вернулись в Японию с коробкой, содержащей готовые элементы.
Однако даже наличие работающих образцов не убедило руководство Asahi Chemical. Директорат продолжал сомневаться в целесообразности выхода на рынок аккумуляторных технологий.
Sony включается в разработку
Несмотря на внутренние трудности, Курибаяси продолжил поиск партнёров. 21 января 1987 года он посетил подразделение Sony, занимавшееся производством видеокамер, с целью представить разработанную в Asahi Chemical батарею. Во время презентации он использовал один из элементов, привезённых из США, чтобы продемонстрировать его участникам встречи.В своей книге Курибаяси отметил, что не ставил перед собой цель наладить сотрудничество — его задачей было лишь подтвердить жизнеспособность новой аккумуляторной технологии.
Однако реакция Sony превзошла ожидания. По данным внутренней истории компании, в этот период её инженеры уже рассматривали перспективу разработки собственных литиевых аккумуляторов. Ознакомившись с решением Asahi, руководство сразу распознало его коммерческий потенциал. Sony, будучи производителем и электроники, и источников питания, могла объективно оценить преимущества разработки как с потребительской, так и с производственной точки зрения.
Момент был удачным. В то время Sony разрабатывала новую видеокамеру, позже получившую название Handycam. Для этого устройства требовался компактный и лёгкий источник питания, и предложенная батарея как раз соответствовала требованиям.
В последующем состоялось несколько встреч. По словам Курибаяси, специалисты Sony получали доступ к лабораториям Asahi Chemical и наоборот. В конечном итоге Sony предложила официальное сотрудничество, но Asahi Chemical отклонила это предложение.
Дальнейший ход событий в развитии литий-ионных аккумуляторов в этот период не полностью задокументирован. Известно, что инженеры Sony продолжили разработки, утверждая, что использовали собственную технологическую базу. Однако фактически конструкция соответствовала решению Asahi Chemical: катод из литий-кобальтового оксида, анод из нефтяного кокса и жидкий электролит, содержащий ионы лития.
С 1987 по 1989 годы команда инженеров под руководством Йошио Ниши вела интенсивные работы по переходу от экспериментального образца к коммерчески пригодному продукту. Были разработаны и оптимизированы процессы термообработки анодов, получены рецептуры катодных порошков, выбраны подходящие связующие, сепараторы и добавки. Основная заслуга Sony заключалась в создании готового к массовому производству продукта.
В 1989 году один из топ-менеджеров Sony связался с британской лабораторией Atomic Energy Research Establishment в Харуэлле, чтобы обсудить вопрос лицензирования патента на катод, предложенный Гуденафом. Этот патент, зарегистрированный восемь лет назад, оставался невостребованным.
По воспоминаниям научного сотрудника AERE Билла Маклина, руководство лаборатории было удивлено интересом к технологии, которую они сами считали второстепенной. Некоторые сотрудники выражали сомнение в целесообразности передачи лицензии японской компании. Однако в итоге стороны пришли к соглашению.
Sony на финишной прямой
В 1991 году компания Sony официально представила аккумулятор нового типа, получивший впоследствии широкую известность под названием «литий-ионный». Первоначально его внедрили в портативные видеокамеры, а позже — в мобильные телефоны.К этому моменту с момента разработки первой литиевой аккумуляторной технологии Стэнли Уиттингемом прошло уже 19 лет. За это время несколько организаций получили возможность доработать и внедрить данную технологию, однако по разным причинам ни одна из них не довела проект до промышленного уровня.
Сначала перспективную разработку отвергла компания Exxon. Тогдашнее руководство, ориентированное на нефтяной бизнес, не придавало значения потенциальному конкурентоустойчивому источнику энергии. Впоследствии появлялись утверждения, что Exxon сознательно отказалась от технологии, стремясь устранить возможную угрозу углеводородной отрасли. Однако стоит отметить, что Exxon лицензировала разработки другим компаниям, и ни одна из них также не достигла успеха.
Затем был Оксфордский университет, отказавшийся финансировать процесс патентования.
Далее последовала Asahi Chemical, руководство которой долгое время сомневалось, стоит ли выходить на незнакомый рынок аккумуляторов. В конечном итоге компания присоединилась к производству литий-ионных батарей лишь в 1993 году, совместно с Toshiba.
Наибольшую выгоду от внедрения литий-ионных аккумуляторов получили Sony и британское исследовательское учреждение Atomic Energy Research Establishment (AERE). Обе стороны воспользовались удачным стечением обстоятельств.
AERE передала права на патент в обмен лишь на покрытие судебных расходов, после чего забыли о патенте на восемь лет. Несмотря на это, по оценкам экспертов, учреждение получило в последующие годы доход в размере не менее $50 млн, а возможно, свыше $100 млн до окончания срока действия патента.
В случае с Sony ключевым фактором стала встреча с Курибаяси из Asahi Chemical, который обратился именно к этой компании. В результате Sony получила существенное конкурентное преимущество, выпустив на рынок десятки миллионов аккумуляторов. Компания также предоставила сублицензии на патент AERE более чем двадцати другим азиатским производителям, что принесло им дополнительные многомиллиардные доходы. В 2016 году Sony продала свой аккумуляторный бизнес компании Murata Manufacturing за 17,5 млрд иен (примерно $126 млн по курсу на тот момент).
Ни один из ключевых изобретателей — Стэнли Уиттингем, Джон Гуденаф и Акира Йошино — не получили финансовой выгоды от масштабной коммерциализации своей технологии. Однако в 2019 году им была присуждена Нобелевская премия по химии. Йошио Ниши, руководивший проектом в Sony, не вошёл в число лауреатов, что он позже подверг критике.
История развития литий-ионных аккумуляторов демонстрирует разрыв между научным и деловым сообществами. В то время как химики, физики и материаловеды продолжали исследовать новые материалы и делиться результатами на конференциях и в научных журналах, коммерческий сектор зачастую не замечал потенциала этих достижений — даже когда разработки велись внутри самих компаний.
В конечном итоге именно благодаря Sony литий-ионные батареи получили широкое распространение. У компании было необходимое сочетание компетенций и мотивации: она уже производила аккумуляторы, остро нуждалась в новых источниках питания для портативной электроники и всерьёз рассматривала возможность разработки собственной литиевой технологии. Это позволило ей своевременно распознать потенциал представленного прототипа.
Как однажды отметил Луи Пастер: «Шанс благоприятствует подготовленному уму». История литий-ионных аккумуляторов подтверждает справедливость этих слов.