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諾貝爾化學獎》桂冠上的鋰電池 有段艱辛的誕生路

2019-10-29
作者: 孫蓉萍

▲吉野彰拿著鋰離子電池模型,接受大家的祝賀。(圖/達志)

日本旭化成名譽研究員吉野彰,與兩位美籍科學家惠廷安(M. Stanley Whittingham)和古德諾(John B. Goodenough),共同獲得今年諾貝爾化學獎,以表彰他們在鋰離子電池的貢獻。這項發明不但讓我們人手1支輕薄的手機,還能駕駛不需要化石燃料的電動車,徹底改變人的生活,也有助於解決全球暖化問題。

其實,早從10年前開始,今年71歲的吉野彰一直是諾貝爾獎呼聲極高的人選,現在終於如願。吉野彰是第27位得到諾貝爾獎的日本人,也是日本第2位服務於企業的得主;前1位服務於島津製作所的田中耕一,2002年同樣得到化學獎。

前3年沒買家 壓力有夠大

日本企業原本就在一些特殊領域研發獨門技術,時勢所趨,加上新的開發應用,因此在天時地利人和的情況下,就容易大爆發,鋰電池材料的發展就是1個例子。

1980年代,手機、攝錄影機等行動裝置開始問世,傳統的鎳氫電池已不敷使用,各廠商都需要大容量又輕巧的可充電式電池。在這樣的情況下,吉野彰利用惠廷安和古德諾先前研究鋰電池的成果,1985年確立了電池的基本結構並申請專利,也就是正極用鋰鈷氧化物,負極用碳材料,再加上居中傳遞離子的電解液,以及避免兩極接觸以確保安全的隔離膜。

吉野彰在記者會上回憶說,鋰電池開發成功後,前3年根本賣不出去,使得他承受極大的壓力。所幸,鋰電池隨著資訊科技革命一起成長,逐步成為時代新寵兒。1991年,索尼率先商品化,推出鋰電池手機、筆記型電腦等產品;近年來,環保意識高張,更使得電動車成為充電電池的新市場。「我覺得自己是幸運的人。」吉野彰笑說。

吉野彰成功開發鋰電子電池,旭化成功不可沒,因為他本來想在負極使用聚乙烯樹脂,後來發現自己公司內部就有更適合的碳材料。吉野彰在10月9日的記者會上就說:「我如果只是電池製造商的研究人員,就沒辦法開發出鋰離子電池,因為找到最適合的材料是關鍵因素。」

鋰電池的主要材料─正極、負極、電解液和隔離膜,攸關電池的性能、安全和壽命;其中隔離膜的全球霸主,就是旭化成。這家成立於1922年的公司,從製造氨氣起家,現在產品非常多元,包括化學纖維、合成樹脂等,但主軸都圍繞著近百年來累積至今的材料技術,隔離膜就應用了該公司擅長的多微孔薄膜技術。

日本矢野經濟研究所調查指出,鋰離子電池材料2017年廠商出貨金額為147億美元,2018年估計再成長為182億美元;接下來因為電動車會更夯,材料需求自然會進一步擴大,2020年預估市場規模會達到280億美元。(延伸閱讀:越南鉛酸電池王廣隆通吃內外銷 業績挑戰新高

中韓苦追 日本材料比較強

2010年之前,鋰電池幾乎是日本廠商的天下,之後機動性強和投資集中的韓國和中國急起直追。例如,中國的寧德時代新能源科技僅成立6年,就成為全球車用電池第1大廠。被記者問到「中韓勢力是否興起」時,吉野彰說:「如果是電池本身,的確沒錯。」但他強調,電池用到的隔離膜、正極、負極等材料,日本廠商仍占有一席之地。

不過,日本業者不敢掉以輕心,為了確保領先地位,旭化成2015年以約2600億日圓,收購了美國同業Polypore國際公司,而且因為看好新一代汽車市場,未來還要增產隔離膜,2021年度年產能預定比2018年度成長1倍。

此外,以鎳和鈷為原料的正極材料,市占第1名是日本的住友金屬鑛山公司,也因為瞄準電動車市場需求,2021年度為止的3年內,決定總共要投資3300億日圓,提高車用電池正極材料等產能。

展望未來,鋰離子電池雖改變了全球電子產業,業者一方面也在努力開發全固態電池等新一代電池技術,否則很難取得先行優勢。吉野彰得了諾貝爾獎之後也坦言,開發費用龐大,所以「前3年賣不出去,對身心都是折磨」。在市場環境多變的情況下,如何兼顧研發和獲利,將對企業形成一大考驗。(延伸閱讀:車載智能需求夯 鑫創電掌握獨門商機

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