2019年10月9日一则消息轰动科技圈，2019年诺贝尔化学奖得是锂离子电池的研究者吉野彰，这则消息再次把日本电池送上了风口浪尖，曾经辉煌一时的日本电池，如今却衰败不堪。是什么阻碍了日本电池的发展？中国电池为何能击败日韩电池，成为新一代的巨头？ 锂电池的兴盛 全球锂离子电池市场规模已经达到450亿美元，还以每年约9%左右的复合增长率增长，随着各个国家布局新能源汽车，全球对于锂电池的需求却不断增加。虽然锂电池的问世并不久远，但是如今已经和我们的生活息息相关。 上世纪60年代，众多科技企业和巨头对锂电池产生了兴趣。因为从19世纪开始，就有人发现了锂元素具备密度低、容量大、电势低的特点，这完美契合了电池负极材料的需求，但是因为锂的化学特性过于活泼，所以锂电池研发过程中事故频发，不过因为锂电池的特性，欧美国家对于锂电池的研究工作一直都没停下。 1913年，美国科学家刘易斯和凯斯，为美国军方开始研究储能装置，并大量使用锂元素做电池。电池的本质就是一种能够将储存的化学能转化成电能的装置，其原理是通过氧化还原反应，电解液和锂发生化学反应，锂变成离子态，带负电的电子通过隔膜前往正极，形成电能。可惜的是一直没有找到能让锂稳定反应的电解液。 直到1958年，美国加州大学伯克利分校的哈里斯，首次发现锂金属在有机酯溶液中会产生钝化层，同时还出现了一定的离子传输现象，这对锂电池的发展作出重要贡献。同时该技术被NASA看上，NASA投资开始研究该项目，也为美国后续的太空计划作出贡献。在随后的几十年里，美日企业都在对锂电池的正极和电解液下功夫，企图制造出能量密度更高的电池。 1970 年，日本松下和美国军方研究所，基本同时研制出锂电池的新型正极材料—碳氟化物。氟化碳锂电池的出现，对后续电池发展有着不小的推动作用。 1975年日本三洋公司在正极材料研究中取得突破，研制出可以商业化的二氧化锰电池。不过此时研发出的电池都是一次性电池，人们不满足于现状，充电的二次锂电池研发工作也相继开始。 上世纪60年代末，美国贝尔实验室进行电化学实验时发现:如果将碘或硫嵌入到二元硫化物中，电池在放电深度低的情况下，实验则具有可逆性。斯坦福研究团队在锂电池方面也进行了类似研究，而美国埃克森美孚公司则在斯坦福研究团队研究成果的基础上，成功研发出世界上第一款能够商业化应用的锂铝合金二次锂电池。由于安全性方面仍存在较大问题，这代产品没能推广开来。 到了80年代，众多企业在电极材料与非水电解质的研究中取得进展。随着多种电解液和添加剂的出现，以及加工技术的成熟，有力地推动了二次锂电池的发展。在1987年，加拿大的Moli Energy公司率先将二次锂电池电池市场化，赚了不少。可惜好景不长，该款电池屡屡出现起火，甚至引发爆炸，造成了用户的恐慌。两年后，Moli Energy公司开始召回产品，该公司也被日本电气股份有限公司（NEC）收购。此次事件，也导致整个电池市场对于锂电池的安全性产生质疑。而更安全的二次锂电池，成了各个公司的核心业务。此时的日本索尼公司也借此机会，将锂离子电池推向了市场。 锂离子电池的原理可以简单理解为，在充电和放电过程，都是锂离子在正极和负极之间移动，因为锂离子电池的负极，采用的是碳极里镶入锂离子的方法，而正极采用钴酸锂，所以该电池也叫钴酸锂电池。 因为锂离子电池在能量密度、循环寿命以及安全性等方面都得以大幅提升，所以锂离子电池的商业化，就得到消费者的赞誉，奠定了日本电池在电池领域的地位。在2000年时，日本锂离子电池占据全球电池市场93%。由三洋、松下、索尼三家企业拿下前三甲，其市场份额分别是24%、21%和 19%。 中日韩的电池发展史 日本电池的霸主地位并没有保持很久，上世纪末中韩也相继加大了对锂电池产业的研究与发展。起初，中国主攻磷酸铁锂电池，韩国也和日本一样主攻钴酸锂电池。钴酸锂电池没有磷酸铁锂稳定，存在一定的安全隐患，相比磷酸铁锂电池却有着更高的能量密度。 在韩国政府的支持下，三星SDI、LG化学和SK三家巨头公司，全面开始在电池领域发力。韩企先是从日企挖人，后是大量采购中国的原材料来降低制造成本。为了进一步降低成本，这些韩企直接在中国建厂，硬生生地从日本电池企业身上扯下一块肉。大获全胜的韩国企业在2010年时，市场份额达到39%，日本则降至43%，形成了双雄争霸的局面。 同时中国在电池领域也有所建树。虽然开始时大部分是电池代工厂，但是通过低成本的劳动力和原材料，让中国企业逐渐崛起并转型。包括极为出名的比亚迪以及宁德曾经的母公司ATL。由于ATL引入了风投资金，造成债务风险，在2005年被日本TDK以1亿美元收购。自此，ATL就成为了一家由中国人控制，日本人控股的公司。 不过，咱们国家有规定，外商无法在国内生产动力电池，这也导致ATL无法在国内建厂。于是ATL和国内企业合作，在国内建立东莞新能源、宁德新能源以及青海新能源三家子公司，并将电池研发中心搬至福建省宁德市，随后将动力电池团队独立出来建立宁德时代。 2013年，我国开始了新能源补贴政策。随后在2015年3月，工信部发布了动力电池＂白名单＂，目的是保护我国锂离子电池企业的发展。所以ATL从2015 年全面退出动力电池相关业务，并将宁德时代股权转让。自此以后ATL和宁德时代，在公司层面再无瓜葛。 中国电池企业在国家财政的补贴下发展迅速。尤其是比亚迪和宁德时代等中国企业，已经成为世界动力电池领域的强者。宁德时代吸收了大量ATL的技术，集中力量在动力电池系统，和储能系统的发力，其三元锂电池的技术极为成熟，而比亚迪则继续在磷酸铁锂电池上发力。 前面提到的三元锂电池中的＂三元＂指的是包含镍、钴、锰或铝的其中三种金属元素的聚合物，在三元锂离子电池中做正极。相比较使用磷酸铁锂的电池，三元锂离子电池的优点是能量密度高、充放电效率高，但是其成本也高且不耐高温。 由于国家补贴政策的调整，让三元锂电池成为新能源汽车动力电池的主流。宁德时代也因此超过比亚迪成为中国电池领域的＂新一哥＂，随后宁德时代在2017年全球摘得的桂冠。 目前中国动力电池，三元锂电池和磷酸铁锂电池销量分别达到46%和25%，而日韩的动力电池企业也基本退出我国市场。 随着全球新能源汽车增长，动力锂电池的出货量也随之保持着高速增长。2020年，全球动力电池装机量为137亿瓦时（GWh），同比增长17.5%。中国动力电池以市场占有率为45%位居全球第一。 2020年，英国研究机构Benchmark发布了一份报告称，全球只有6家电池制造企业，达到动力电池一级制造商水准，分别有宁德时代、LG化学、三星SDI、远景AESC和SKI、松下－特斯拉。中国有宁德时代和远景AESC两家，韩国三家，而日本联合美国才有一家。 中韩电池企业已经将日本电池企业甩在身后。2016年日本索尼将电池业务出售，2018年日产汽车公司也将旗下电池公司AESC出售给中国远景集团，成为远景AESC。此时的日本并不甘心，意图在新的技术上翻身，日本众多企业开始全面转向氢燃料电池。 氢燃料电池和一般的电池不同。一般电池只是个储能系统，而氢燃料电池更像是一个发电厂。其原理将氢气送到电池负极，催化出一个电子，氢气变成氢离子后前往电池正极，并与氧原子重新结合为水，而氢气分离出的电子则经外部电路通过并产生电流。只要氢气和空气给够，并把产生的水带走，氢燃料电池就可以一直产生电能。 虽然氢燃料电池前景不错，很符合日本的国情。尤其是福岛核电站出问题后，日本的核电设施陆续关停，电力紧张问题日益突出。日本转而研发燃料电池似乎成了不错的选择。不过，氢燃料电池的产业化还处于研发阶段。因为氢燃料电池技术复杂，所以成本十分高昂，而且氢燃料电池配套供应链成本，也是制约氢燃料电池发展的一个因素，日本想靠氢燃料电池翻身，目前看来困难重重。 不过日本电池的＂失落＂也给我们提了个醒，我们该如何保持动力电池领域的优势？我们该如何保持在电池领域的优势 从2009年开始至今十二年间，国家每年通过数百亿元的财政补贴，专项扶持国内新能源汽车产业。尤其是发布＂动力电池白皮书＂以后实现了＂精准哺育＂，有力地扶持了自主新能源汽车以及相关产业链的发展。不过依靠政策扶持，终究不是长久之计。 国家能提供的只有土壤，短期内能帮助企业度过成长期。但是新能源汽车补贴政策将到2022年底结束，这也意味着我国众多新能源汽车及相关企业，只剩下一年半的时间发展。这些企业要想在接下来的全球市场竞争中取得胜利，就要在技术和产品质量中保持优势，才能立于不败之地。 目前我国的新型纳米硅锂电池已经问世，该电池的容量是一般锂电池的5倍。这项技术的缔造者，是已经到了耄耋之龄的中国工程院院士陈立泉，陈院士也是中国锂电产业的奠基人。早在上世纪80年代，陈院士率团队开展了固体电池和锂电池的研究工作工作。在1996年研制出我国首款锂离子电池，并完成了锂离子电池的产业化的工作。 陈院士的徒弟——李泓教授得到陈院士的衣钵，在固态锂电池继续开展研究工作，目前已经完成了300（Wh/kg）固态动力电池系统的设计开发工作。在实验时发现，车辆搭载该固态锂电池后，续航里程翻了一番。 因为固态电池前景非常好，所以在全世界约有50多家企业和机构，从事固态锂电池的研究工作，按照现在的技术发展推断，预计到2025年全固态锂电池极有可能实现产业化。这50家企业不少是中国企业，包括宁德时代、国轩高科、蜂巢动力等公司都在固态锂电池的研究工作投入大量精力，所以在2025 年前后，我国部分新能源汽车有望搭载固态电池。 我国不止在高端电池发力，而且也在下潜电池市场努力发展。陈院士的另一个徒弟，中科院的研究员胡勇，从事钠离子电池的研究工作，其研究成果也在全球也属于领先地位。 钠离子电池价格相比锂离子电池便宜了数倍。其原因是锂离子电池使用的碳成本达到几万块一吨，而钠离子电池使用的碳酸钠只要几百块一吨。虽然钠离子电池能量密度比不了锂离子电池，但是用于能量密度要求不高的领域，例如电瓶车，是个不错的选择。 所以老子云：曲则全，枉则直，洼则盈，敝则新 。想要有所成就，并且考虑周全，照顾全面，发现短板就要集中力量发展。这也是我国电池技术能在短短数十年，就能追平西方的原因。