Многие пытались, но сходили с дистанции, передавая эстафету другим, пока наконец компании Sony не удалось довести дело до конца.
Сейчас, спустя 50 лет после появления первого литий-ионного аккумулятора, легко рассуждать о его ценности. Он используется в миллиардах ноутбуков, мобильных телефонов, электроинструментов и автомобилей. Мировой объем продаж достигает $45 млрд в год, а в ближайшее десятилетие может превысить $100 млрд.
И все же это революционное изобретение почти два десятилетия не могло выбраться за пределы лабораторий: множество компаний в США, Европе и Азии изучали эту технологию, но так и не смогли раскрыть ее потенциал.
Первый вариант, разработанный в 1972 г. Стэнли Уиттингемом из компании Exxon, не был успешен: производился в небольших объемах, мелькнул на выставке электромобилей в Чикаго в 1977 г. и некоторое время использовался в элементах питания для часов. Вскоре компания Exxon закрыла проект.
Разработку Уиттингема подхватили ученые по всему миру, но за почти 15 лет никто так и не смог добиться существенных результатов. Путь к мировому господству литий-ионных аккумуляторов открылся только когда разработка наконец попала в нужное время в нужную компанию.
Кто первым изобрел литиевый аккумулятор?
В начале 1970-х исследователи из Exxon спрогнозировали, что мировая добыча нефти достигнет пика к 2000 г., а затем начнется неуклонный спад. Тогда перед учеными компании поставили задачу найти замену нефти, любой другой способ получения энергии, не связанный с углеводородами.
Осенью 1972 г. к команде исследователей инженерного подразделения Exxon в Нью-Джерси присоединился молодой британский химик Стэнли Уиттингем. Уже к Рождеству он разработал аккумулятор с катодом из дисульфида титана и жидким электролитом, в котором использовались ионы лития.
Батарея Уиттингема не была похожа на своих предшественниц. Она работала за счет включения ионов в атомарную решетку материала электрода – процесса, названного интеркаляцией. Батарея обладала исключительными характеристиками: она была одновременно и перезаряжаемой, и с очень высокой энергоотдачей. До этого лучшим аккумулятором был никель-кадмиевый, выдававший максимум 1,3 вольта. А изобретение химика Уиттингема вырабатывало поразительные 2,4 вольта.
Зимой 1973 г. руководители компании вызвали Уиттингема, чтобы тот выступил в головном офисе в Нью-Йорке перед членами совета директоров Exxon. «Я пришел туда и объяснил все минут за 5, максимум 10, – рассказывал Уиттингем в январе 2020 г. – А неделю спустя они ответили, что хотят инвестировать в это».
Это было похоже на начало чего-то большого: Уиттингем опубликовал статью в журнале Science; компания Exxon начала производить дисковых литиевых аккумуляторов, а швейцарский производитель часов Ebauches стал использовать эти батареи в наручных часах с зарядкой от солнечных элементов.
Однако к концу 1970-х интерес Exxon к альтернативным источникам энергии ослабел. Более того, руководители компании посчитали, что разработка Уиттингема вряд ли получит широкое распространение, и просто умыли руки, лицензировав технологию литий-титановых батарей трем компаниям – производителям аккумуляторов: одной в Азии, одной в Европе и одной в США.
«Я понимал, почему они так поступили, – говорит Уиттингем. – Просто рынок был еще слишком мал. Наше изобретение опередило свое время». Это был первый из многих фальстартов в истории литиевых аккумуляторов.
Оксфорд принимает эстафету
Следующим ученым, подхватившим эстафету, стал Джон Гуденаф из Оксфордского университета. Гуденаф был знаком с работами Уиттингема, потому что Уиттингем получил докторскую степень в Оксфорде. Но прочтя в 1978 г. опубликованную Уиттингемом статью «Химия интеркаляционных соединений», Гуденаф окончательно убедился, что будущее за литиевыми аккумуляторами. [Гуденаф скончался 25 июня 2023 г. в возрасте 100 лет.]
Вместе с научным сотрудником Коичи Мизушимой Гуденаф начал работать над батареями, основанных на процессе интеркаляции лития. К 1980 г. они усовершенствовали идею Уиттингема, заменив дисульфид титана на кобальтит лития. Использование нового химического элемента позволило поднять напряжение батареи еще на две трети – до 4 вольт.
Гуденаф разослал письма в компании-производители аккумуляторов в США, Великобритании и материковой Европе в надежде найти корпоративного партнера, о чем он писал в своих мемуарах «Свидетель благодати» (Witness to Grace). Но никто не откликнулся.
Тогда ученый попросил у Оксфордского университета помощи в оплате патента, но и здесь ему отказали. Как и многие другие университеты того времени, Оксфорд не занимался вопросами интеллектуальной собственности, считая это уделом коммерческих организаций.
Тем не менее Гуденаф был уверен в правильности формулы своего аккумулятора и не сдавался. Он обратился в Atomic Energy Research Establishment (AERE), правительственную лабораторию в Харуэлле, примерно в 20 км от Оксфорда. Лаборатория согласилась оплатить патент, но только при условии, что 59-летний ученый откажется от своих прав. Гуденаф подчинился. Лаборатория запатентовала батарею в 1981 г., а ученый остался без копейки прибыли от своей разработки.
Для лаборатории AERE это должно было стать настоящим подарком судьбы. Не проведя ни единого исследования, она стала обладательницей астрономически ценного патента. Но менеджеры лаборатории не разглядели потенциала. Они оформили патент и забыли о нем.
Asahi Chemical вступает в игру
Следующим важным звеном в истории литиевых аккумуляторов стал Акира Йошино, 34-летний химик из японской компании Asahi Chemical. У Йошино была собственная разработка: он исследовал возможность использования в аккумуляторах пластикового анода из электропроводящего полиацетилена и никак не мог найти подходящий 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 вспоминал: когда он наводил порядок на столе в последний день 1982 г., то наткнулся на забытую им техническую статью 1980 г., написанную в соавторстве с Гуденафом. В статье описывался катод из оксида лития-кобальта. Может быть, он подойдет к его пластиковому аноду?
Йошино вместе с небольшой группой коллег соединили катод Гуденафа с пластиковым анодом. Они также попробовали сочетания и с другими анодами, в основном из различных типов углерода. В конце концов остановились на углеродном аноде, сделанном из нефтяного кокса.
Нефтяной кокс оказался серьезным шагом вперед. Уиттингем и Гуденаф использовали аноды из металлического лития, который был летучим и даже опасным. Перейдя на углерод, Йошино вместе с коллегами создали намного более безопасный аккумулятор.
Однако не все шло гладко. Asahi Chemical была прежде всего химической компанией, а не производителем аккумуляторов. Они не знали, как организовать производство в промышленных масштабах. Не было у компании и оборудования для нанесения покрытий и для намотки, необходимого при производстве аккумуляторов. Исследователи создали лишь сырой лабораторный прототип.
Тогда за дело взялся участвовавший в создании батареи руководитель исследовательского отдела Asahi Chemical Исао Курибаяси. В своей книге «A Nameless Battery with Untold Stories» Курибаяси описывает, как вместе с коллегой они искали в США консультантов, которые могли бы помочь с производством батареи. Им порекомендовали компанию Battery Engineering – крошечную фирму, располагавшуюся в переоборудованном гараже для грузовиков в районе Гайд-парка в Бостоне. Компанией руководила небольшая группа ученых. Фирма специализировалась на создании необычных аккумуляторов. Они производили самые разные батареи для истребителей, ракетных шахт и буровых установок.
Итак, Курибаяси с коллегой вылетели в Бостон в июне 1986 г. и без предупреждения явились в Battery Engineering с тремя банками суспензии: одна содержала катод, другая – анод, а третья – электролит. Они попросили соучредителя компании Николу Маринчича превратить банки стандартные цилиндрические батареи, подобные тем, что использовались в карманных фонариках.
«Они сказали, мол, если хочешь работать над нашими батареями, то не задавай лишних вопросов, – рассказывал Маринчич в интервью в 2020 г. – Не сказали мне, откуда они и зачем им это нужно, а я не стал спрашивать».
После Курибаяси с коллегой также попросили Маринчича никому не рассказывать об их сотрудничестве. До 2020 г. даже сотрудники фирмы Маринчича не знали, что участвовали в создании первых в мире предсерийных литий-ионных аккумуляторов.
За создание партии батарей Маринчич взял $30 тыс. (сегодня это было бы $83 тыс.). И уже через две недели Курибаяси вместе с коллегой отбыли в Японию с коробкой, в которой находилось 200 батарей размера С.
Однако даже имея на руках рабочие батареи, Курибаяси все равно встретил сопротивление со стороны директоров Asahi Chemical, которые по-прежнему опасались влезать в неизвестный бизнес.
Sony включается в борьбу
Курибаяси не хотел сдаваться. 21 января 1987 г. он посетил подразделение Sony, занимающееся видеокамерами, чтобы презентовать новую батарею Asahi Chemical. Он взял один из привезенных из США С-элементов и прокатил его по столу конференц-зала к своим слушателям.
В своей книге Курибаяси не стал приводить подробностей, указав лишь, что в Sony он надеялся только «подтвердить правильность новой аккумуляторной технологии».
Однако Sony сделала больше, чем просто «подтвердила». К этому времени, согласно корпоративной истории, компания рассматривала возможность разработки собственного литиевого аккумулятора. Увидев батарею Asahi, в компании тут же осознали ее огромную ценность. Поскольку Sony производила одновременно и электронику, и аккумуляторы, ее руководители могли взглянуть на все и с точки зрения клиента, и с точки зрения поставщика.
И время было идеальным. Инженеры Sony работали над новой видеокамерой, позже получившей название Handycam, и этот продукт отчаянно нуждался в более компактной и легкой батарее. Для них батарея, которую представил Курибаяси, казалась подарком небес.
ем последовало несколько встреч. По словам Курибаяси, некоторые ученые из Sony допускались в лаборатории Asahi, и наоборот. В конце концов Sony предложила сотрудничество, но Asahi Chemical отказалась.
Следующая часть пути литий-ионного аккумулятора к коммерческому успеху туманна. Исследователи Sony продолжали работать над литиевыми аккумуляторами, используя химический состав, который, как позже утверждалось в корпоративной истории компании, был создан собственными силами. Но на деле это была та же самая технология, что и в батарее Asahi Chemical. Катодом служил кобальтит лития, анодом – нефтяной кокс, жидкий электролит содержал ионы лития.
Ясно только то, что с 1987 по 1989 гг. инженеры Sony проделали тяжелую работу по превращению прототипа в готовый продукт. Во главе с инженером Йошио Ниши команда Sony работала с поставщиками над созданием связующих веществ, электролитов, сепараторов и добавок. Они разработали собственные процессы термообработки анода и изготовления катодного порошка в больших объемах. Их заслуга в том, что они создали настоящий коммерческий продукт.
Оставалось сделать последний шаг. В 1989 г. один из руководителей Sony позвонил в Atomic Energy Research Establishment в Харуэлле (Англия). Он спросил об одном из патентов лаборатории, который восемь лет пылился без дела, – о катоде Гуденафа. Он сказал, что Sony заинтересована в лицензировании этой технологии.
Ученые и руководители лаборатории в Харуэлле задумались. Они не могли понять, почему кого-то вдруг заинтересовал патент «Электрохимическая ячейка с новыми быстрыми ионными проводниками». «Было неясно, каким будет рынок, насколько большим он будет», – рассказал Билл Маклин, бывший в то время научным сотрудником AERE. К тому же несколько ученых старшего поколения даже задавались вопросом, уместно ли английской атомной лаборатории делиться своими секретами с компанией из Японии, с которой Англия воевала во время Второй мировой.
Однако в конце концов они ударили по рукам.
Sony на финишной прямой
В 1991 г. Sony официально представила новую батарею под ставшим уже привычным сейчас названием «литий-ионная». Ее сразу же начали использовать в портативных видеокамерах, а затем и в мобильных телефонах.
К тому времени с момента изобретения Уиттингема прошло уже 19 лет. Несколько совершенно разных организаций имели возможность довести эту технологию до ума, но в итоге отказывались от нее.
Сначала была компания Exxon, руководители которой и мечтать не могли о том, что литий-ионные батареи, установленные в электромобили, составят серьезную конкуренцию нефти. Некоторые впоследствии утверждали, что, отказавшись от этой технологии, Exxon вступила в сговор с целью устранить потенциального конкурента углеводородов. Однако не стоит забывать, что Exxon лицензировала технологию трем другим компаниям, и ни одна из них также не добилась успеха.
Затем был Оксфордский университет, который отказался платить за патент.
Наконец, была компания Asahi Chemical, руководители которой мучительно долго решали, стоит ли выходить на новый для них рынок аккумуляторов. (Asahi наконец включилась в игру в 1993 г., объединившись с Toshiba для производства литий-ионных батарей).
Sony и AERE получили наибольшую выгоду от новых аккумуляторов. Им просто повезло.
Atomic Energy Research Establishment оплатила лишь судебные издержки взамен на ценный патент и забыла о нем на восемь лет. Прибыль AERE неизвестна, но большинство специалистов сходятся во мнении, что она получила не менее $50 млн, а возможно, и более $100 млн, прежде чем срок действия патента истек.
На счастье Sony Курибаяси из Asahi Chemical пришел именно к ним, что в итоге привело компанию к успеху. Sony продала десятки миллионов элементов, а затем выдала сублицензию на патент AERE более чем двум десяткам других азиатских производителей аккумуляторов, которые заработали еще миллиарды. (В 2016 г. Sony продала свой аккумуляторный бизнес компании Murata Manufacturing за 17,5 млрд иен, что сегодня составляет примерно $126 млн).
Ни один из первоначальных авторов – Уиттингем, Гуденаф и Йошино – не получили доли от этих прибылей. Однако все трое разделили Нобелевскую премию по химии 2019 года. Йошио Ниши из Sony Нобелевка не досталась. Он раскритиковал это решение.
Теперь, глядя на историю литий-ионных аккумуляторов, можно сказать, что она похожа на сказку о двух мирах. Существовали научный мир и мир бизнеса, и они редко пересекались. Химики, физики и материаловеды тихо работали, рассказывая о своих триумфах в технических публикациях и на конференциях. Мир коммерции, тем временем, не интересовался прорывами университетских ученых и не замечал потенциала нового химического состава аккумуляторов. Не замечал даже тех достижений, которые были сделаны его собственными исследователями.
Если бы не Sony, литиевые аккумуляторы могли бы пребывать в забвении еще много лет. Почти наверняка компания добилась успеха, потому что, ввиду обстоятельств, была готова понять и оценить прототип Курибаяси. Sony уже занималась производством аккумуляторов, ей нужна была лучшая батарея для новой видеокамеры и она уже подумывала о разработке собственного литиевого аккумулятора. Инженеры и менеджеры Sony точно знали, куда положить этот фрагмент головоломки, и распознали то, что многие другие упустили из виду. Как сказал Луи Пастер больше чем за век до этого: «Шанс благоприятствует подготовленному уму».
История создания литий-ионного аккумулятора показывает, что Пастер был прав.
