新能源汽车战役打响，锂电池核心技术，中国又出手了？

大家好，我是观察者网《科工力量》栏目主播，冬晓。 2020年1月7日，马斯克来上海，向中国车主交付第一批国产Model 3。开场第一句话就是：“感谢中国政府”。然而就在这一年，特斯拉在中国的品控却各种翻车。电池自燃、发动机失控、天窗跑的比车还快，甚至还敢叫板国家电网。在这些问题中，特斯拉电池缩水问题极为普遍，车主在网上声讨的声音也此起彼伏。众所周知，国产Model3基本都采用国产磷酸铁锂电池。锂电池到底有多重要？回顾产业发展的历程，中国是否真正掌握了核心技术？又是如何获得成功的呢？

我们先来回答第一个问题，锂电池到底有多重要？作为应用最广泛的能量载体，锂电池每年已经被应用在数十亿的手机、笔记本电脑等电子产品中，还有数百万新能源汽车，乃至地球上所有需要充电的便携设备上。仅锂电电芯的年产值就达到了2000亿元，未来破万亿指日可待。而锂电池技术的发展，在上个世纪就有迹可循。七十年代初，为了应对石油危机，石油巨头埃克森在美国新泽西州组建起一家研究实验室，招揽了大批物理和化学界顶级人才，其中包括斯坦福大学博士后斯坦利·惠廷汉姆。其目标是提出全新的能源解决方案，即研发新一代二次充电电池。与此同时，贝尔实验室也成立了一个由斯坦福大学化学家和物理学家组成的研究小组。双方在下一代电池的研发上，展开了极为激烈的竞争，甚至只要是研究相关的，“钱都不是问题”。历经近五年的保密研究之后，惠廷汉姆和他的团队，首先研制成功出世界上第一块可充电的锂离子电池。

这款锂电池创造性地采用硫化钛作正极，金属锂作负极，拥有重量轻、容量大、无记忆效应等优点，同时摒弃以前电池的缺点，可以说是一次质的飞跃。1976年，埃克森申请了全球第一个锂电池发明专利，却没有从实际产品中受益。不过，这并不影响惠廷汉姆“锂电池之父”的江湖地位。虽然惠廷汉姆的发明让业界振奋，但电池充电燃烧和内部粉碎又极大地困扰着团队，其中便包括古迪纳夫。因此，他和两名博士后助手，系统性地围绕元素周期表持续探索。1980年，他们最终确定最佳材料就是钴。而可用于锂离子电池正极的钴酸锂，性能远远优于当时的任何材料，迅速占领了市场。

虽然钴酸锂电池有许多优势，但是在大规模应用后，钴酸锂的缺点也开始暴露出来，包括成本过高、容易过充、循环性能差，废弃之后的污染比较严重。于是，古迪纳夫和他的学生迈克·萨克雷继续寻找更好的材料。1982年，萨克雷发明了一种开创性的锰酸锂电池。但很快，他跳到阿贡国家实验室（ANL）任职，专职锂电池研究。而古迪纳夫和团队继续寻找可替代的材料，并通过再次系统地调换周期表的各种金属元素，将名单缩小到铁和磷的组合。

最终，铁和磷没有形成团队想要的构型，但却无心插柳地组成了新的正极材料磷酸铁锂。因此，三种最重要的锂离子电池正极，全部诞生自古迪纳夫实验室。而这里也成为世界锂电池的摇篮，先后诞生了上述两位诺贝尔奖化学家。1996年，德州大学代表古迪纳夫的实验室申请了专利。这是磷酸铁锂电池的第一个基础专利。此后，法国锂电池科学家米歇尔·阿尔芒也加入团队，并与古迪纳夫共同申请了磷酸铁锂包碳技术的专利，成为第二个磷酸铁锂基础专利。而这两项专利，是磷酸铁锂技术路线无论如何都无法绕行的核心专利。

正极解决完了，负极怎么办？这个时候，日本人登场了。1991年，索尼发布了人类历史上第一个商用锂离子电池，并把几节钴酸锂圆柱形电池装进最新款的CCD-TR1摄像机里。自此，世界消费类电子产品的面貌被改写。吉野彰采用石墨代替金属锂作为锂电池的负极，并结合钴酸锂正极。这从根本上改善了锂电池容量、循环寿命，并降低了成本，为锂电池的产业化助攻了最后一把力。此后，中国、韩国企业相继涌入锂电池产业浪潮，新能源科技（ATL）等就是在这时建立的。

而由于涉及技术被窃，由德州大学及部分企业发起的“维权联盟”在全球范围内四处挥剑，多个国家和公司的因为锂电池开始专利混战。而当人们仍认为磷酸铁锂是最合适的动力电池时，全新的正极材料体系已经悄然诞生。2001年4月，加拿大达尔豪斯大学物理学教授兼3M集团首席科学家杰夫·达恩，发明了成规模商业化的镍钴锰三元复合正极材料，促使锂电池突破走向市场的最后一步。当年4月27日，3M向美国申请了该项专利，即三元材料的基础核心专利。这意味着只要在三元体系下，谁都绕不过去。

几乎在同一时期，阿贡国家实验室（ANL）首次提出了富锂的概念，并在此基础上发明了层状富锂高锰三元材料，且在2004年成功申请专利。而这项专利的负责人，就是前面提到的萨克雷。时至2012年，特斯拉开始爆发逐渐崛起的势头，马斯克开出数倍高薪从3M的锂电研发部门挖人。3M顺水推舟，人可以走，但是专利要留下。通过对外输出专利和技术合作的方式赚取更高利润，其中专利授权给了优美科、松下、日立、三星、LG、SK等多家日韩锂电企业，以及中国的杉杉、湖南瑞翔和北大先行等正极材料企业，总数有十几家之多。而阿贡的专利只授权给了三家：德国化工巨头巴斯夫、日本户田工业以及韩国LG。后来，围绕着三元材料的核心专利竞争，全球两大顶级产学研联盟各自形成。这无形中塑造成了西方及日韩锂电池企业的两极对抗，而中国所获并不多。

既然中国没有掌握最核心的技术，那又是如何破局的呢？中国锂电池研究并不晚，几乎和世界同步。七十年代末，在旅德的中国工程院院士陈立泉力荐下，中科院物理所建立了国内第一个固体离子学实验室，并开启了锂离子导体和锂电池等研究。1995年，中国第一块锂电池就在中科院物理所诞生。与此同时，得益于九十年代消费电子兴起，中国锂电池同步崛起，并涌现出“四巨头”，即力神、比亚迪、比克和ATL。虽然日本引领了行业发展，但是，后来迫于生存窘境等，三洋电机业务卖给了松下，索尼的锂电池业务卖给了村田制作所。而在市场激烈竞争中，国内的“四巨头”仅有比亚迪和ATL脱颖而出。

2011年，中国政府的补贴“白名单”把外资企业挡在了门外。而被日资收购后，ATL的身份变得不合时宜。于是，ATL创始人曾毓群计划把动力电池业务独立，让中国资本参与进来把母公司TDK的股份稀释掉，没有获得同意。于是曾毓群创立宁德时代（CATL），在原有的技术积累上进而狂飙成为黑马。在技术路径上，宁德时代倾向能量密度高的三元锂，比亚迪选择安全性和性价比高的磷酸铁锂电池。这与比亚迪的商业模式相关。创始人王传福崇尚“一根甘蔗吃到底”，一辆汽车除了玻璃和轮胎，其他部件几乎全部自产自销，然后以价格优势对外竞争。基于此，比亚迪长期稳坐国内市场老二位置。

但是比亚迪的优势也是短板所在：既做电池又卖车，使得其他汽车厂商有着天然不信任，更愿意把订单给对手而不是自己。比如特斯拉，即便比亚迪的磷酸铁锂电池技术积累更深，但它还是选择宁德时代的同类技术。而为改变局面，比亚迪计划将动力电池分拆上市，同时也升级推出了“刀片电池”。改革开放以来，锂电池是少数几个能赶上发达国家的领域。究其原因，一是国家重视和战略保护，二是起步并不晚，三是国内市场足够庞大，四是有一批有抱负的技术专家和有干劲的企业家合力突围。但如果大层面来看，正如宁德时代的名字，是中国的经济成就及电动汽车塑造了宁德时代。 

当前，锂电池经过前两代的钴酸锂、磷酸铁锂和三元锂迭代，正朝着第三代迈进。如今，中国在负极材料、电解质等研究上，都没有落后于发达国家，但也仍有一些短板，比如锂电池隔膜、能量密度等。显然，西方及日韩的技术积累仍有一定优势。比如虽然宁德时代持续数年位居全球电池市场第一，但国内外的产业研报仍将松下、LG列在第一档，而宁德时代与比亚迪列在第二档。虽然中国主导锂电池市场，但无论是磷酸铁锂还是三元材料，最核心的技术以及专利都没有在中国人手里。若与日本相比，中国在锂电池研发的人力和资金投入，都有较大差距。这凸显基础科学研究极为重要，同时要靠国家、科研机构和企业的长久坚持和投入。

曾毓群曾经披露与特斯拉结盟的内幕：马斯克整天都在谈论成本问题。言下之意就是特斯拉在极力压低电池成本。但要注意的是，特斯拉和宁德时代在中国市场双双狂奔的过程中，无论是整车还是电池，都不可因为成本而忽略质量问题。而一旦如此，当初国内系列良苦用心的政策，在意义上将大打折扣。

应当看到，中国锂电池的发展和应用还面临着不小挑战。比如锂电池新能源车在实际使用过程中，仍然存在能量密度低、低温性能差、充电时间长、使用寿命短等问题。由于前两代核心技术和专利已被外国公司瓜分完毕，中国没有足够的核心优势，但或可以通过提前布局在下一代扭转局面。而鉴于电池材料有基础研发、应用研究、产品开发的产业发展路径，所以要做好打持久战的准备。自2019年起，中国就取消了电池“白名单”，LG和松下等外企重回中国市场，布局攻势异常迅猛。同时，随着锂电池成本压力加大，国内市场的竞争正变得更加激烈。这将倒逼相关企业，以更高的产品性价比、更快的市场反应能力，在充分竞争中赢得优势，从而推动中国锂电池产业的技术升级。

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