Кто изобрёл литий-ионную батарею – Как технология 19 лет пылилась в архивах

Спустя более 50 лет после рождения литий-ионного аккумулятора его ценность очевидна. Он используется в миллиардах устройств, а мировые продажи превышают 45 миллиардов долларов США в год, стремясь к 100 миллиардам. Многие уронили эстафетную палочку, прежде чем Sony довела дело до финиша.

И всё же этому изобретению потребовалось почти два десятилетия, чтобы выйти из лаборатории. Многие компании в США, Европе и Азии рассматривали технологию, но не распознали её потенциал.

Первая итерация, разработанная Стэнли Уиттингемом в Exxon в 1972 году, далеко не продвинулась. Её недолго использовали в часах, но затем Exxon «забросила» проект. Различные учёные подхватили исследование, но 15 лет успех ускользал от них.

Читайте: Изобретение транзистора – Как 3 октября 1950 года началась эра компьютеров

Изобрёл ли Exxon перезаряжаемую литиевую батарею

В начале 1970-х учёные Exxon предсказали, что мировая добыча нефти достигнет пика в 2000 году, а затем начнёт снижаться.

Исследователей компании поощряли искать заменители нефти, занимаясь любыми видами энергии, не связанными с нефтепродуктами. Тогда же молодой британский химик Стэнли Уиттингем, присоединился к Exxon Research в Нью-Джерси (1972 г).

К Рождеству он разработал батарею с катодом из дисульфида титана и жидким электролитом, использующим ионы лития.

Батарея Уиттингема не имела аналогов. Она работала за счёт внедрения ионов в атомную решётку материала электрода — процесс, называемый интеркаляцией (внедрение ионов в структуру материала без её разрушения).

Производительность также была беспрецедентной: батарея была перезаряжаемой и имела высокую энергоёмкость. До этого лучший перезаряжаемый аккумулятор, никель-кадмиевый, выдавал 1,3 вольта. Новая химия Уиттингема производила 2,4 вольта.

Зимой 1973-го Уиттингема вызвали в нью-йоркский офис для выступления перед подкомитетом правления Exxon. «Я вошёл, объяснил всё — 5, максимум 10 минут, — рассказывал Уиттингем в 2020-м. — И в течение недели они сказали «да», они хотят в это инвестировать».

Казалось, это начало чего-то грандиозного. Уиттингем опубликовал статью в журнале Science. Exxon начала производить литиевые батарейки-«таблетки», а швейцарская Ebauches использовала их в часах с солнечной зарядкой.

Но к концу 1970-х интерес Exxon к альтернативам энергии угас. Руководство сочло, что концепция Уиттингема вряд ли станет широко успешной. Они «умыли руки», лицензировав технологию трём компаниям.

«Я понимал их логику, — говорил Уиттингем. — Рынок просто не был готов стать достаточно большим. Наше изобретение появилось слишком рано».

Оксфорд принимает эстафету

Джон Б. Гуденаф из Оксфордского университета стал следующим, кто подхватил эстафету.

Он был знаком с работой Уиттингема, но именно статья 1978 года убедила Гуденафа, что передний край исследований — это литий. Гуденаф и Коити Мидзусима начали исследовать литиевые интеркаляционные батареи.

К 1980-му они усовершенствовали конструкцию, заменив дисульфид титана оксидом лития-кобальта (LiCoO2). Новая химия увеличила напряжение до 4 вольт.

Гуденаф рассылал предложения многим компаниям в США, Великобритании и Европе, но не нашёл инвесторов. Он также попросил Оксфордский университет оплатить патент, но Оксфорд отказался, не занимаясь «коммерческой» интеллектуальной собственностью.

Тем не менее Гуденаф посетил Исследовательский центр по атомной энергии в Харуэлле (AERE). Лаборатория согласилась профинансировать патент, но только если 59-летний учёный откажется от финансовых прав. Гуденаф согласился.

Лаборатория Харуэлле запатентовала всё в 1981-м; Гуденаф не увидел ни цента с доходов.

Для Исследовательского центра это должно было стать золотым дном. Они не проводили исследований, но владели патентом, который оказался астрономически ценным. Но тогда менеджеры этого не предвидели, положив патент в архив про него, забыли.

В эстафету вступает Asahi Chemical

Следующим, принявшим эстафету, стал Акира Ёсино, 34-летний химик из Asahi Chemical в Японии.

Он независимо исследовал пластиковый анод из полиацетилена и искал для него катод. Убирая стол в последний день 1982 года, он нашёл статью 1980-го соавторства Гуденафа, описывающую катод из оксида лития-кобальта.

Ёсино с командой соединил катод Гуденафа с анодом из нефтяного кокса. Это был прорыв: Уиттингем и Гуденаф использовали нестабильный и опасный металлический литий. Переключившись на углерод, В итоге Ёсино создал гораздо более безопасную батарею.

Тем не менее Asahi Chemical была химической компанией, а не производителем батарей. Никто там не знал, как наладить производство в промышленных масштабах.

И тут появляется Исао Курибаяси, руководитель исследований в Asahi. В поисках помощи он нашёл Battery Engineering — крошечную фирму в переоборудованном гараже в Бостоне, состоявшую из учёных-экспертов по нестандартным батареям.

В июне 1986 года Курибаяси и его коллега прилетели в Бостон, с тремя банками шлама (густой суспензии) — с катодом, анодом и электролитом. Они попросили соучредителя компании Николу Маринчича превратить это в цилиндрические элементы.

«Они сказали: Если хотите, чтобы мы сделали батареи, не задавайте больше вопросов, — вспоминал Маринчич. — Они не сказали, кто их прислал».

Маринчич взял с них 30 000 $ (эквивалент 83 000 $ сегодня) за изготовление партии. Две недели спустя Курибаяси улетел в Японию с коробкой из 200 ячеек размера C.

Однако директора Asahi Chemical всё ещё боялись входить в неизвестный бизнес.

Sony вступает в игру

Курибаяси не сдался, и 21 января 1987 года он посетил подразделение видеокамер Sony.

Он взял одну из ячеек C и прокатил её по столу переговоров. Sony в тот момент уже рассматривала разработку собственной литиевой батареи. Руководство компании, будучи и производителем электроники, и производителем батарей, поняло ценность прототипа.

Время также было идеальным: инженеры Sony работали над новой видеокамерой Handycam, и этому продукту отчаянно требовалась лёгкая батарея.

Прототип Курибаяси оказался даром небес. После нескольких встреч Sony предложила партнёрство, но Asahi Chemical отказалась. Далее история коммерциализации становится туманной.

В итоге исследователи Sony продолжили проект, используя химию, которую корпоративная история Sony позже назовёт «созданной внутри компании». Но батарея Sony использовала ту же существенную химию, что и у Asahi Chemical: катод из LiCoO2 и анод из нефтяного кокса.

Что известно: в 1987–1989 гг. инженеры Sony проделали сложную работу по превращению «сырого» прототипа в продукт. Под руководством Ёсио Ниси команда Sony разработала связующие вещества, электролиты, сепараторы и процессы термообработки анода.

И они также заслуживают признания в создании коммерческого продукта. Хотя оставался один шаг. В 1989 году один из руководителей Sony позвонил в Харуэлле в Англии и спросил о патенте, который 8 лет пылился на полке, — о катоде Гуденафа.

Хотя учёные в Харуэлле якобы недоуменно «чесали в затылках», не понимая, зачем кому-то понадобился этот патент, в конце концов, была заключена сделка.

Sony пересекает финишную черту

Sony представила батарею в 1991 году, дав ей имя «литий-ионная», к этому времени прошло 19 лет с момента изобретения Уиттингема.

Во-первых, шанс упустил Exxon, чьё руководство не могло и мечтать, что Li-Ion позволит электромобилям конкурировать с нефтью. (Хотя Exxon и лицензировала технологию трём другим компаниям, ни одна из них не преуспела).

Во-вторых, был Оксфордский университет, отказавшийся платить за патент. И наконец, Asahi Chemical, чьё руководство колебалось (Asahi вошла в игру лишь в 1993-м, в партнёрстве с Toshiba).

Sony и AERE, получившие наибольшую финансовую выгоду, извлекли пользу из удачи. AERE получила (по оценкам) не менее 50–100 млн долларов от патента, о котором ей пришлось вспоминать.

Sony, получила куда большую прибыль и в 2016-году продала этот бизнес Murata Manufacturing примерно за $162 млн.

Никто из первоначальных исследователей — Уиттингем, Гуденаф и Ёсино — не получил доли от этой прибыли. Однако все трое разделили Нобелевскую премию по химии 2019 года. Ёсио Ниси из Sony, к тому времени вышедший на пенсию, не был включён в число лауреатов, что он и раскритиковал на пресс-конференции.

Итог

Ретроспективно ранняя история Li-Ion аккумуляторов выглядит как сказка о двух мирах — научном и деловом, которые редко пересекались.

Коммерческий мир не искал прорывов в университетах и не замечал потенциала, даже когда открытия делались их собственными исследователями.

Если бы не Sony, литий-ионная батарея, могла бы не появится ещё много лет. Компания добилась успеха, потому что обстоятельства подготовили её к тому, чтобы по достоинству оценить прототип Курибаяси.

Как сказал Луи Пастер, «Шанс благоволит подготовленному уму».