发明可充电电池:2019年诺贝尔奖获得者吉野彰博士访谈

2020年9月

泽井智毅,产权组织日本办事处

2019年诺贝尔化学奖获得者吉野彰(上图)研制出世
界第一款可商用锂离子电池。
(图片:Courtesy of WIPO Japan Office)

2019年,吉野彰博士、斯坦利·惠廷厄姆博士和约翰·古迪纳夫博士因推动锂离子电池发展的重要研究而获得诺贝尔化学奖,我们的移动设备就是依靠这种微型能源系统提供电源。这种轻便的可充电电源为移动电子产品的蓬勃发展提供了动力,并且推动了长途电动汽车的发展和可再生能源的高效存储,已经产生了环境红利。

吉野博士发明了世界上第一块锂离子电池,并申请了专利,此后一直研究这项技术的改进。整个职业生涯中他已经获得60多项锂离子电池技术专利。吉野博士谈到了开发锂离子电池过程中克服的挑战,以及战略利用专利权在建设蓬勃发展的全球锂电池市场中所发挥的作用。

您从事化学研究是受什么启发?

我一直对大自然感兴趣。小学时有位老师建议我阅读迈克尔·法拉第的书《蜡烛的化学史》。这本书让我产生了很多疑问。之前我对化学没有兴趣。一切就是这样开始的。后来我进入京都大学学习量子有机化学。

您为何会从事锂离子电池研究?

20世纪70年代初,我进入旭化成株式会社的探索科研团队,研究通用新材料。因为最初参加的项目并未成功,我开始寻找新的科研课题。当时聚乙炔倍受关注,日本第一位诺贝尔化学奖获得者福井谦一博士曾对这种神奇的导电聚合物做出预测,而2000年诺贝尔化学奖获得者白川英树博士发现了这种材料。

最初我研究的是聚乙炔的实际应用。但当时日本电子工业界正在寻找一种新型轻便可充电电池,为正在开发的移动设备提供电源。许多研究人员正在钻研这个课题,但现有阳极材料不稳定,引发严重安全问题——需要一种新型阳极材料。我对聚乙炔的研究表明,它可以用作阳极材料(因为类锂阳离子可以往返流动),所以我开始实验,结果证明可行。

我对锂离子电池的基础研究正式开始于1981年,那一年福井教授获得了诺贝尔化学奖。有趣的是,对锂离子电池的研究得到了八位诺贝尔奖获得者的支持,说明锂离子电池的研发难度相当高。

1983年我已研制出一种新型充电电池,阳极使用聚乙炔,阴极使用锂钴氧化物。和我一起获奖的同事约翰·古迪纳夫博士在1980年发现了锂钴氧化物,第一种含有锂离子的阴极材料。

在这项突破之后您的研究如何发展?

有一段时间一切顺利。原型比标准镍镉电池轻三分之一,这是优点,但重量只能减少一点,无法缩小电池体积。整个项目因此受到质疑,因为小型化对于电子产业而言是重点。

问题在于聚乙炔的相对密度很小,可以制作轻型电池,但体积巨大并不实用。我们开始寻找特性类似聚乙炔、密度更高的材料。当时的想法是使用一种碳材料(相对密度大约为2.2,其共轭双键组成与聚乙炔相同)。但是没有找到合适的碳材料,非常令人失望。

如今能够实现移动IT社会是锂离子电池的功劳。未来锂电池将在可持续发展社会的建设工作中扮演重要角色。

不过旭化成内部找到了答案;另一研究团队开发了一种具有独特晶体结构的新型碳材料,称为气相生长碳纤维(VGCF),可以很好地替代聚乙炔。我设法得到了这种材料的样品,果然,我们用它制作阳极后,一款小巧轻便的电池诞生了。

您如何了解到小型化的重要性?

我们并非旭化成的电池专家,因此内部讨论业界有何需要无法得出结论。当然,也不能指望上门找到电池制造商了解他们保密的初期科研成果。但我认识了一位旭化成高管的老同学,此人在一家电池企业任职,他强调指出小型化的重要意义——智能手机制造商需要能够放进窄槽的电池。

对我来说,这突出表明不同领域人士聚在一起讨论交流想法的重要性。这种合作对于促进技术发展以及新技术的广泛采用极其重要。

旭化成株式会社对于材料学的整体关注对于锂离子电池的研发是否有利?

起初的计划是开发新型聚乙炔材料,但随着研究的展开,我们认识到产业界需要多种新材料——用于阴极、电解质、分离器等等。我们不再仅仅关注制造新的阳极,研发电池的想法浮现出来。旭化成进入电池领域仅仅是因为它正在研究新材料,而能够研发出锂离子电池正是因为它并非这个领域的专家。

如果我在电池制造企业做研究,我可能不会碰上聚乙炔或VGCF。最终,新型材料以及开发新型材料的自由度是新产品出现的原因。

1985年,吉野博士为第一款可充电锂离子电池(使用锂钴氧化物和碳基阳极)申请专利 (日本专利第1989293号),智能手机、笔记本电脑等移动电子设备在全球普及使用的过程自此开始。(图片:Courtesy of Asahi Kasei Corporation)

锂离子电池的影响是什么?

如今能够实现移动IT社会是锂离子电池的功劳。未来锂电池将在可持续发展社会的建设工作中扮演重要角色。有储电能力的充电电池是解决环境问题的关键设备。2010年左右电动汽车面世后,这一点得到了更广泛的认可。那一年,日产聆风推出。这确实是划时代的进步。自此,电动汽车开始使用锂离子电池提供动力。此后,提高锂离子电池能量密度(即一次充电续航里程)和降低成本方面取得了很大进展。但是耐用性(电池寿命)的相关问题尚未解决。

尽管只靠锂离子电池并不能解决所有环境问题,但结合人工智能和物联网等其他新的创新之后可以在可持续发展社会的建设中起到核心作用。

作为多项专利所有人,您对专利制度的看法如何?

专利法的基本精神是鼓励技术发展,造福全民。作为获得专有专利权的回报,你向世界揭示(公开)一项新技术,从而支持技术的广泛传播。锂离子电池就是这样的例子。

旭化成擅长开发电池技术,但不是电池专家,所以我们必须决定围绕这项技术开展何种业务。经过大量讨论,我们决定:a)与合适的合作伙伴(东芝)共同开创电池业务;b)将其他电池相关材料与旭化成现有业务整合;c)积极授权锂离子电池技术。

专利授权计划为许多新制造商打开了锂离子电池技术的大门,这项技术因此得以在成本、可靠性和安全性方面有所改进。这也有助于该技术的推广,增强消费者信心,并为企业创造专利授权收入。每个人都可以迅速获得这项技术并从中受益。这就是发明的全部意义。

您认为知识产权制度应当如何改进?

在当今的全球化世界中难以对专利行使专有权利。即使你告诉人们不要模仿,他们还是会这样做!此外,专利权有时间限制,所以很难仅仅通过专利授权利用其经济价值。我认为应当考虑其他获得收益或物质回报的方式。例如,可以围绕锂离子电池开发一种商业模式,将技术作为一种服务实现商业化,而不是最终产品,这样就可以获得下游报酬。像谷歌、苹果、Facebook和亚马逊等平台就是采用这种模式。回报更为丰厚。它们成功地设计了平台,也成功制定全球标准,让企业基于技术的服务有了更广阔的市场。有些甚至免费提供技术。例如,谷歌为智能手机免费提供安卓操作系统,从而扩大了安卓用户群体。这里可以看到,智能手机业务的价值并非源自手机本身,而是源于手机的使用。这种商业模式常见于IT领域,也很可能代表着未来的方向。

吉野博士使用锂钴氧化物(由约翰·古迪纳夫发现,与他共同获奖)作为阴极,使用一种可以插入锂离子的碳基材料(气相生长碳纤维)作为阳极。电池的原理是基于锂离子在电极之间的来回流动,让电池寿命更长。

专利制度对您获得2019年诺贝尔化学奖是否有帮助?

产业界研究人员与学术界研究人员在宣布科研成果的方式上有所不同。学术界研究人员发表研究成果,而产业界研究人员的工作体现于不易理解的专利文献之中,直到最近也未得到学术界高度重视。

然而,诺贝尔委员会的颁奖词确实特别提到了我在1985年发明并获得专利的锂离子电池原型。因此,这似乎是一个重要因素。来自独立机构的认可似乎也起到了一定作用。因为获得第一项锂离子电池专利,欧洲专利局授予我欧洲发明家奖——欧洲专利局对这项专利的认可似乎是诺贝尔奖入围讨论中的一个重要因素。

我给年轻人的建议是:保持好奇心,用你的精力去发展技能、信心和知识,去做出本世纪标志性的重大发现和突破性发明。

总体而言,我认为产业界研究人员在诺贝尔奖方面处于劣势,因为通常只有专利审查人员才能理解专利申请中介绍的技术,我对他们深怀敬意。因此,如果产业界研究人员希望入围诺贝尔奖,他们需要先赢得重要奖项!

您对青年科学家有何寄语?

接受新挑战的时间限制在一定年龄段;大约35岁。一代又一代诺贝尔奖获得者就是在这个年龄开始自己的研究。我在33岁的时候开始从事锂离子电池的基础研究。在这个年龄,你理解企业和社会的运作,有信心有权威去开创新的事业,如果失败,你还有时间另起炉灶。

我认为,日本未来培养诺贝尔奖获得者的能力将取决于35岁左右人士目前的研究环境,以及他们是否享有研究的自由,能按照自己的思维方式研究,最终实现配得上诺贝尔奖的突破。

吉野博士(中)是旭化成株式会社荣誉研究员,锂电池技术与评估中心(LIBTEC)理事长。(图片:Courtesy of Asahi Kasei Corporation)

对于有志未来成为科学家的年轻人,您有什么建议?

今天,年轻人需要任何信息都可以轻松获得,但许多人觉得没有新的大发明或发现等着他们去解锁。但他们错了。关于生命和自然,我们还有太多未知,还有太多宝藏可以挖掘。

我给年轻人的建议是:保持好奇心,用你的精力去发展技能、信心和知识,去做出本世纪标志性的重大发现和突破性发明。未知事物还有很多。通过学习投资自己的未来。想象一下35岁的自己以及届时可能会从事的研究。

原则上,我认为不应强迫儿童学习。我们要让他们独立思考,决定自己的道路。我想这是最好的方法。

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