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锂电专利的战争

By 陈茵茵 •  2018-11-03 08:04 •  7次点击 短消息

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源于科技的进步,人类在20世纪创造的财富超越了之前2000年之总和。科技,是推动这个星球文明进步和经济发展的决定性力量。过去百年,诞生的科技发明创造璨若星河,其中有两项被公认为对人类历史影响至为深远,其一是晶体管,没有晶体管就没有计算机;其二就是锂离子二次充电电池,没有这两项发明,这个世界将无法想象。

 

每年,锂电池被应用在新制造出来的数以十亿计的手机、笔记本电脑等3C电子产品,还有数以百万计的新能源汽车和这个地球上所有需要用电充电和便携设备上,并且随着数量更多的移动设备被创造出来,以及新能源汽车革命浪潮的到来,上面的数字将至少还要再突破一个数量级。

 

仅仅是锂电电芯的生产制造行业,全球就已经突破2000亿的产值。相信在不远的未来,突破万亿亦指日可待。

 

巨大的商业利润像是黑洞,吸引来一切之后再将其扭曲。在这个技术门槛极高的锂电行业里,谁拥有了以代表核心技术的专利,就意味着拥有了统治整个行业的权杖。于是,围绕着专利,英、德、美、加、日、中这些全球最重要的国家,和这个世界上多位最著名的科学家,多个顶级大学和研究机构,石油大亨、化工巨头、车企集团、科技公司和资本财团展开了激烈的纠缠混战。

 

中国制造了全球一半以上锂电池。在这里,成百上千家大大小小的锂电公司一起享用着这桌盛宴,而罔顾核心技术缺失的尴尬和隐患,以及国内缺乏对知识产权的最基本认知,而导致这个行业中几乎99%的企业没有一丝专利保护的概念。走过野蛮生长的莽荒时代,当大潮退去优胜劣汰的残酷法则开始发挥作用的时候,这个行业中大多数没有核心技术,又免费使用别家专利多年的中国企业,是否会猛然发觉为时晚矣?

 

于是我们看到,一幕幕交缠着国家意志和公司利益,错节着良知光辉与人性暗淡,充斥着商业间谍加学术诈骗的专利战争,从锂电从一间狭小的实验室诞生那天起到今天,重复上演。

 

 

1973年10月,阿拉伯世界国家和以色列之间爆发了第四次中东战争,以美国为首的西方国家选择力挺以色列,招致石油输出国组织(OPEC)的盛。OPEC采取暂停石油出口的惩罚性措施,终于导致了对后世影响深远的第一次石油危机的爆发。

 

国际原油价格就从每桶不到3美元一路暴涨到超过13美元,当年就翻了两番,力度空前。这场持续三年的石油危机让欧美国家的经济遭到重创,直接触发了二战之后全球最严重的经济危机。所有发达国家的经济增长都明显放慢,英、美、德、日等国家的经济增长率甚至跌成了负数。

 

蝴蝶翅膀的煽动,开始发挥作用。

 

这次石油危机不仅成就了以丰田为首的日系车在全球范围内的崛起,也为今天电动汽车时代的真正降临埋下了种子。

 

为了能够抵御OPEC时不时就要拿起来挥舞一番的石油武器,西方国家寄希望于重构出来一套全新的能源解决方案:从研发新一代的二次充电电池开始。在世界上第一块电池被发明出来一百年后,这个行业终于将要迎来剧烈变革的曙光。

 

其实,充电电池很早就被发明出来并广泛应用。比如早在1859年法国人加斯顿·普兰特(Gaston Planté )就发明了铅酸电池,1899年瑞典人沃尔德马·尤格尔(Waldmar Jungner )也发明了镉镍电池。1890年,在经历了上万次失败的试验之后,可充电的镍铁电池被大发明家爱迪生制造了出来,但在风靡了半个世纪之后,由于成本、功率密度及低温性能等方面的差距而被铅酸电池和镉镍电池挤出了市场。

 

但即使是铅酸和镉镍电池都存在着致命缺点,容量小、能量密度低、循环寿命短、不支持大电流放电,因体积庞大而不能应用到小型电动产品上,更要命的是废弃的铅、镉和硫酸,都会对环境产生巨大的污染。

 

若要让作为耗油大户的汽车摆脱石油,一块合适电池是基础条件。

 

没有想到的是,美国的福特公司最先做了尝试。

 

那是在1966年,福特做出了一项令世人瞠目轰动一时的举动,这家因流水线生产而闻名并且把燃油车成功推广到千家万户的汽车巨头,居然将目光瞄向了电动汽车,甚至还发明了钠硫电池——由液态的多硫化钠正极和液态的金属钠负极以及固体电解质组成的一款全新化学体系的电池。

 

理论上有着钠硫电池超出铅酸电池十几倍的能量密度以及极高的充电倍率,这给了福特推广电动汽车以极大的信心:搭载铅酸电池的电动车最多能跑64公里(40英里),而换成钠硫电池后就可以轻轻松松跑上320公里(200英里),然后充电一小时,还可以继续再开320公里!

 

即使是在半个多世纪之后的今天,能够达到如此性能的电动汽车依旧会让大多数人流口水吧。

 

但福特的电动汽车梦终究还是变成了一纸黄粱,是因为钠硫电池的固体电解质的工作温度区间必须保持在300~350摄氏度,结合当时的技术水平就知道了,如此之高的温度下隔膜根本就承受不了,并且钠的熔点是98度,一遇到空气就会燃烧。

 

虽然那个时候的人们对汽车的安全性还没有今天这么重视,但毕竟谁都不想在整天在开车时候要时刻跟一大坨有着几百度高温,并且随时都可能燃烧起火的金属可燃物为伴吧。实际上,直到20年后钠硫电池才开始真正的商业化应用,并且是在储能领域。

 

但电动汽车在六十年代的昙花一现以及随之而来的石油危机不是完全没有意义,相反其影响深远。自此之后,无论是大西洋还是太平洋两岸,无论是各国政府、企业巨头还是研究机构,以及广大的物理学家、材料学家和化学家们,都开始以极大热情去探索一个全新的未知领域:一块更好的充电电池。

 

由此,锂——这个星球上已知的质量最轻、元素周期表中排名最靠前的金属元素,在被发现(1817年被发现并命名为Li)一百多年之后,开始从未有过的变得与人类亲密起来。

 

电池行业将迎来一场颠覆性的变革,人类也自此进入到一个全新的时代。

 

 

1968年,27岁的英国人斯坦利·惠廷汉姆(Stanley Whittingham)来到美国,至今就再未离开过。在斯坦福大学做了三年的固态电化学博士后研究员之后,他被埃克森公司(Exxon )招致麾下,开始了“锂电池之父”的职业生涯。

 

此时,埃克森公司刚刚在新泽西州的林登组建了一家新的研究实验室,一大批物理和化学界的顶级人才被招揽进来,为的是研发下一代的电池技术。因为这家当时全世界最大的石油巨头判断,石油资源将会在不远的将来枯竭,必须早做打算。

 

同样有着先见之明的还有贝尔实验室,一家因发明了晶体管而扬名天下的顶级科技研发机构。就是前后脚的功夫,贝尔实验室也成立了一个同样由斯坦福大学的化学家和物理学家组成的研究小组,在下一代电池的研发上,和埃克森展开了分秒必争的竞争。

 

埃克森对实验室的研究人员说可以提供他们需要一切,只要是用于研究的,“钱不是问题”。

 

土豪终于迎来回报,在经历了五年时间极为保密的研究之后,惠廷汉姆和他的团队终于制成了世界上第一块可充电的锂离子电池。他们创造性地采用硫化钛作为正极材料,金属锂作为负极材料,通过锂离子在电池正、负极之间穿梭往来形成电流。充电时,锂离子从正极移动到负极,放电则回到正极,如此往复循环。

 

锂离子电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点,同时又摒弃了之前的充电电池几乎所有的缺点,毫不夸张地说是一次质的飞跃。锂电池轻小的体积和质量为之后更小更便捷的可移动设备创造了诞生的基础,就连惠廷汉姆当时都不会想到,他创造出来的这枚和硬币一样大小的电池和将会给人类带来何等巨大的改变。

 

1976年,埃克森申请了世界上第一个锂电池的发明专利,但却没有从中受益,因为这家公司没有为这项伟大的发明找到任何产业化的价值。由于正极材料使用硫化钛的电化学属性极不稳定,导致电池在充电过程中非常容易起火爆炸,并且在反复充放电的过程中,电池内部材料会分解破碎,衰减极快。

 

不过这并不影响惠廷汉姆由此获得极高的声誉,并就此奠定在圈内的江湖地位。在惠廷汉姆英年得志的时候,故事的大主角约翰·班尼斯特·古迪纳夫(John Bannister Goodenough)先生已经54岁了,这位30岁才毕业的物理学博士被前辈评判为不会在学界有什么前途了。

 

在天才辈出的科技圈,历来都是要讲天赋的。伽利略17岁发现钟摆原理;牛顿20岁创立微积分,24岁提出万有引力定律;提出相对论那年爱因斯坦才26岁;创立并完善量子理论的时候,海森堡和费米24岁、泡利25岁、狄拉克25岁、薛定谔是最大器晚成的,那年36岁。

 

30岁才拿博士,开玩笑呢?

 

1976年,在麻省理工的林肯实验室做了若干年不算太得志的研究员之后,古迪纳夫抓住一个机会去到英国,在牛津大学的无机化学实验室担任主任。这位只修过两门化学课程的物理学博士,没有想到他事业真正的开端会是在这里,更没想到的是会是在电化学领域。

 

 

惠廷汉姆的发明让业界振奋,但充电燃烧和内部粉碎又极大地困扰着他们。古迪纳夫是这其中的一员,但他的思维却超越了同行们的思维框架。

 

古迪纳夫推断,惠廷汉姆采用了硫化钛作为储存锂离子的正极材料,但充电时锂离子会一直朝着负极方向转移,当离开正极的锂离子达到一定数量之时,硫化钛正极材料会因为被掏空而自我坍塌,那么解决问题的关键就是寻找一种更加坚固的物质来取代硫化钛了。

 

古迪纳夫将目标锁定在了金属氧化物(大方向正确是多么的重要!)他和两名博士后助手系统性地围绕着元素周期表进行探索,解析不同的金属元素和氧元素的结合来查明在什么电位下锂离子可以从这些氧化物中脱出,并且一点一点地摸索出在它们崩溃前能从其中抽出多少锂离子。

 

直到1980年,也就是四年之后,古迪纳夫终于确定了最佳材料是钴,一种遍布非洲中南部的银白色金属。钴和锂的氧化物可以在4伏的电压下支持半数的锂离子脱出而不坍塌,这对于充电电池来说,足够了。

 

用于可充电锂离子电池正极的钴酸锂,其性能远远优于当时的任何材料,使用钴酸锂做正极材料的电池,是市场上任何同类电池载电量的几倍,由此人类的电池技术终于向前迈出了实质性的一大步。如何评价古迪纳夫的历史性贡献呢?看看你的手机,还有此刻正在使用的笔记本电脑,以及你手边有的又没有的一切你能想到的便携式设备,为它们提供动力的全部都是钴酸锂电池。

 

哦对了,当年特斯拉的第一款汽车产品Roadster,用的也是钴酸锂。

 

今天,钴酸锂电池几乎出现在这个世界上几乎所有的移动产品里面,但是无论是牛津还是古迪纳夫,却都没有从中赚得一分钱。原因是对于这项日后注定要改变世界的发明,牛津大学居然一点都不感冒。古迪纳夫向牛津大学进行专利申报的时候,后者认为这只是一项没有多大市场应用前景的简单科研成果,甚至拒绝为其申请专利!

 

而古迪纳夫也一向对商业提不起一丝兴趣,但他又感觉将这项成果应该会对产业有所用处,扔在实验室里落灰有点可惜,于是就以极低的价格将这项技术的版权转售给了英国原子能科学研究中心,一家归属于英国原子能管理局的政府实验室。

 

古迪纳夫参加过二战,也许生死早已看淡,钱财名利也就更是身外之物了。当然,这也就为他在日后陷入一系列专利战争,埋下了深深的伏笔。

 

颇为讽刺的是,2010年11月的时候,英国皇家化学会在牛津大学当年的化学实验室的外墙上设立了一块蓝色牌匾,纪念这里为电池事业作出的伟大贡献,古迪纳夫排在第一位。

 

如果没有钴酸锂会怎样?举个最简单不过的例子,还记得上个世纪80年代中国第一批土豪手里握着的大哥大吧,那像一块板砖一样的手机为什么会那么大那么重?就是因为没有用到钴酸锂。为什么在80年代钴酸锂电池没有被迅速地产业化,这是因为还有一个亟待解决的问题:电池负极。

 

当时锂电池的负极材料使用的还是锂金属,用锂金属作负极的电池可以提供相当高的能量密度。但是这种锂电池又存在着很大的问题,一来金属锂会和有机电解液发生反应,使负极材料逐渐粉末化直至最终失去活性,二来电池在充放电过程中内部会生长出锂枝晶,从而有可能刺穿隔膜导致电池发生短路甚至燃烧爆炸。

 

在钴酸锂诞生之后的十年之间里,锂离子电池发展进程异常缓慢最主要原因就是没有找到合适的负极材料。有研究人员试图通过使用锂和其它金属的合金或者化合物来代替金属锂,但是发现在充放电循环中锂合金会发生体积变化导致电池容量很快衰减。

 

问题非常棘手,日本人,该你们上场了。

 

日本的电子电器业巨头索尼公司同样对电池技术保持着极大的兴趣,从80年代就开始着手研发布局,并密切关注全球动态。没有资料显示索尼是何时从何人手中拿到钴酸锂这项技术的,但可以确定的是这项被英国人束之高阁的技术在日本人那里却如同至宝。

 

这一页将被写进历史:1991年索尼发布了人类历史上第一个商用锂离子电池,这家公司把几节钴酸锂18650圆柱形锂电池装进最新款的CCD-TR1摄像机里的时候,整个世界的消费类电子产品的面貌从此将被彻底改写。

做出了决定性贡献的是吉野彰(Akira Yoshino),他开创性的用碳(石墨)代替金属锂作为锂电池的负极,结合钴酸锂正极,从根本上改善了锂电池的容量、循环寿命,以及降低了成本,为锂电池的成功产业化助推了最后一把力。

 

题外话,80年代末和索尼就锂电池商业化展开激烈竞争的是另一家日本化学和材料巨头旭化成公司,只可惜晚了一步。但在1992年,旭化成就和东芝成立了合资公司,开辟了锂电池业务。

 

1999年,在东莞新科磁电厂当到工程总监的曾毓群辞职创业,建立了一家叫做新能源科技有限公司(AmperexTechnologyLimited,ATL)的电池公司,ATL最初的技术来源正是前面提到的贝尔实验室。在和埃克森竞争失利之后,这个大佬貌似已经在锂电江湖里沉寂许久了。但你若要就此小瞧这家被称为诺贝尔奖得主摇篮的科研机构,就大错特错了。

 

在索尼推出锂离子电池之后,贝尔实验室成功拿下了聚合物锂电池的专利。聚合物电池跟其他锂电池的正负极材料以及工作机理相同,最重要的区别就在其电解液是凝胶状固态而非液态的。电解液变成固态之后最大的好处就是锂电池可以做到更轻更薄。而为了绕开索尼公司的圆柱形专利,贝尔实验室还发明了软包这种封装形式。

 

对于这项专利,贝尔实验室采取来者不拒广撒网的策略,在全球范围内向包括ATL在内的二十多家公司出售了专利:先交一笔授权费,之后买卖出一块电池在从销售额中抽成。

 

但是贝尔实验室没有说这种软包聚合物电池存在一个巨大的问题,就是一充电就鼓包胀气。最后就连贝尔实验室都说,这个是材料的本质问题,无解。

 

接下来的故事大家都知道了,曾毓群通过改进电解液配方把问题解决了,ATL也成为获得专利授权的20多家公司中唯一成功量产的一家。之后就是大风起兮云飞扬,手机开始普及,ATL开始顺风顺水,先是在2004年拿下苹果MP3的电池订单,从2007年第一代iPhone发布起,ATL至今都是苹果的电池供应商。

 

以手机和笔记本电脑为代表的数码产品时代,正式到来。

 

题外话,到今天,ATL是占到一半市场份额的全球最大的聚合物锂电池供应商。虽然之后被日资收购,但我们不能抹灭这家公司在锂电池实现国产化的历史进程中起到的关键性作用。打个比方,ATL已然是中国本土锂电行业的黄埔军校。

 

 

历史的车轮继续转动。

 

钴酸锂电池虽然有着诸多优势,但随着大规模的应用,其缺点也开始暴露出来:首先就是成本高,因为钴毕竟是一种价格昂贵的小金属;其次是抗过充和循环性能差;最后就是废弃污染严重。

 

所以在发明了钴酸锂之后,为了找到一种比钴便宜的替代金属,同时寻找一个更利于锂离子高效运动的结构。古迪纳夫和他的学生迈克·萨克雷(Mike Thackeray)紧接着又开始了对一种比钴酸锂更好的正极材料的寻找。

 

钴酸锂正极材料中的原子是凸一层层堆叠起来的片层架构,充放电过程中锂离子只是在这些片层之间来回脱嵌。古迪纳夫想到了尖晶石(又一个正确的方向),他认为尖晶石结构的原子排列的方式允许锂离子可以在三维空间中进行扩散,也就是尖晶石允许锂离子通过多个通道中往返,从而大幅度提高锂电池的充放电倍率。

 

1982年,萨克雷发明了一种开创性的锰基尖晶石,即之后被日系车企大批量应用到电动汽车之上的锰酸锂电池。此后,萨克雷跳到美国的阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory, ANL)任职,专注于锂电池的研发。而ANL在此后的专利大战中,还有更重要的戏份。

 

1986年,在从牛津大学回到美国,担任德克萨斯大学奥斯汀分校的科克雷尔工程学院机械工程和电气工程系的教授之后,古迪纳夫开始了下一个探索之旅,同时也将深陷有史以来最大的专利大战之中。

 

1993年,当古迪纳夫和他的团队正在专心致志地徜徉在材料化学的奇幻海洋中时,他的实验室来了一位叫冈田重人的访问学者(没错,日本人),冈田在此之前是日本国内的电话巨头日本电报电话公共公司(NTT)的移动通信工程总监。

 

古迪纳夫没有多想,就让冈田留了下来,因为这本来就是学术界很正常的交流活动,更何况NTT还给实验室提供了一批实验经费。

 

但是很快,古迪纳夫就会认识到天下没有白来的午餐,七十多岁的古迪纳夫非常痛苦的认识到,虽已过古稀之年,但自己仍旧是 too young,too simple。

 

古迪纳夫和他的团队继续寻找这可以代替钴酸锂的更优秀的正极材料物质,他们开始系统地调换周期表里的各种金属元素,最终将名单缩小到最后的一个目标——铁和磷的组合。

 

最终,铁和磷没有形成古迪纳夫想要的尖晶石构型,但是却无心插柳地组成了另外一种晶体结构——橄榄石。即钴酸锂、锰酸锂之后,锂离子电池的第三种正极材料就此诞生:磷酸铁锂。

 

是的你没看错,这三种最重要的锂离子电池正极,全部诞生自古迪纳夫的实验室,而这里也成了世界锂电池的摇篮。

 

这次,古迪纳夫就算是再迟钝,也很快认识到了这项发明的重要性,他认为这个研究成果绝对会震惊世界。但万万没想到的是,在古迪纳夫带领团队在研发的第一线奋战的时候,他们的研究成果被源源不断地通过冈田传回了日本。

 

冈田的雇主NTT公司,在当年(1995年)11月就悄无声息地申请了专利,也许是做贼心虚以及不想在美国引起麻烦,NTT申请的只是日本的专利。

 

但这依然让古迪纳夫感受到震惊和愤怒,直到第二年听到消息之后他才反应过来,所谓的访问学者原来就是日本公司派来窃取研究情报的间谍。

 

磷酸铁锂电池具备的成本低、充放电效能高、使用寿命长、热稳定性高等优势,使这种正极材料拥有着巨大的市场潜力。

 

1996年,德州大学代表古迪纳夫的实验室向美国申请了专利,并在1997年10月被批准,这项编号为WO 1997040541的专利是磷酸铁锂电池的第一个基础专利。

 

很快,另一位世界级的锂电科学家米歇尔·阿尔芒(Michel Armand)也加入了近来,这位法国人被公认为世界锂电池产业的奠基人之一。这位大佬在1980年提出“摇椅式电池”概念(锂离子电池的基本运行理念),索尼正是基于这个概念,于1990年成功完成了世界第一歌锂离子电池的商业化。

 

阿尔芒提出了用1%的碳对磷酸铁锂进行包覆,从而有效解决了磷酸铁锂材料导电性能差,不适宜大电流重放电的问题。经过包碳之后,磷酸铁锂电池可以在80℃和1C倍率的条件下,达到160mAh/g的容量,并且具有较好的导电性能。

 

解决了这个问题之后,阿尔芒和古迪纳夫共同申请了磷酸铁锂包碳技术的专利,这就是第二个磷酸铁锂的基础专利,这项专利让磷酸铁锂电池从实验室走向市场变成了可能。

 

这两项专利,是磷酸铁锂技术路线无论如何都无法绕行的两大核心技术专利。

 

这期间,阿尔芒正好在加拿大蒙特利尔大学担任化学系的教授,所以就在当地创建了由加拿大国家公共事业魁北克水力公司(Hydro-Quebec,H-Q)投资的的Phostech Lithium公司。

 

由此,H-Q和Phostech成为获得这两项磷酸铁锂的基础专利独家授权的单位。

 

但是,由于太多说不清道不明的原因,古迪纳夫老爷子的核心技术早已通过各种各样的渠道,散布到全世界各地去了。

 

 

2001年,德州大学和H-Q公司首先把NTT告上法庭,指称后者的磷酸铁锂的专利是其派商业间谍以非法方式获得,而NTT坚称其专利是其科学家(冈田重人)回国后自行研发的辛勤结晶,跟德州大学没有丝毫关系。

 

NTT背后有日本政府撑腰,双方陷入到一场看似无休止的拉锯战之中。但对于德州大学和古迪纳夫以及H-Q来说,更悲催的是还在后面,磷酸铁锂开始在全球遍地开花,他们即将陷入到多线作战之中。

 

这场围绕磷酸铁锂核心技术的专利混战,将越来越多的实力公司牵扯了进来。

 

2006年,全球最大的手持电动工具巨头Black & Decker(B&D)推出了一款799美元的产品组合DCX 6401 Combo Kit(其中各产品可单独销售),这套产品由于采用了磷酸铁锂电池而不再需要电线,并且实现了1小时高速充电、功率大幅提升、高安全性以及2000次以上的电池循环寿命,颠覆了全球全球电动工具市场。

 

所以一经推出就大卖,上市第2个季度就创下2000万美元的销售成绩,打破B&D自1843年创立以来的销售纪录。

 

而B&D这款产品所用电池的供应商是一家2001年才成立的初创公司,名字叫A123 Systems。

 

在磷酸锂铁技术被发明出来5年时间之后,麻省理工的一位材料科学与工程学教授蒋业明(Yet-Ming Chiang)(来自台湾)创办了这家磷酸锂铁电池公司A123。A123刚开张时,总员工数只有5人,美国能源部提供的10万美元科技项目经费以及从学校拿出来的0.5克材料。

 

短短几年之后,到2006年,A123的资本额就激增到1.02亿美元,员工人数超过250人,手握超过1亿美元的大订单。这家因为号称拥有纳米制程技术(将磷酸锂铁正极材料制造成均匀的纳米级超小颗粒,因颗粒和总表面面积剧增而大幅提电池的高放电功率)而红极一时,背后更是得到了美国能源部、摩托罗拉、通用汽车、高通、P&G和红杉创投等巨头的巨额投资。

 

业界人士曾这样评价蒋业明:“这是一个非常擅长营销的商人。”

 

美国的Valence公司也开始生产磷酸铁锂电池,而向来唯美国科技马首是瞻的台湾地区以及中国大陆,也开始用“鸭子划水”的方式投身到磷酸铁锂产业。例如仅仅在台湾,就有上千家大大小小的电池厂,几乎全部都没有获得专利授权。

 

更要命的是,有些公司利用开始在各地疯狂的抢注专利,许多在台面下不愿曝光的从业者甚至也取得了足以和两大基础专利对抗的技术专利。

 

磷酸铁锂电池的生产在全球遍地开花,然而古迪纳夫却没有收到一分钱的专利使用费,一来没有人愿意跟一家深陷专利诉讼官司的机构合作,二来正好可以浑水摸鱼,免费拿来使用,谁会主动付你专利费?

 

这期间,德州大学-H-Q公司的“维权联盟”中加入了一个实力战将,南方化学(SUD- CHEMIE)。这家全球最大的化学磷肥巨头收购了Phostech,从而间接拥有了两项基础专利的授权。这家时年已经150岁的德国老公司当时正在积极寻求转型,对锂电池的兴趣要远远大于肥料。这家公司的CEO甚至扬言,磷酸铁锂电池业务在3年时间之内要达到其总营收的50%。

 

德州大学-H-Q-南方化学“维权联盟”开始举起法律的武器四处出击了。他们将NTT、A123以及Valence告上法庭,诉讼侵权公司对其损失进行赔偿,每家高达3.5亿~5亿美元,对NTT特别要求重罚到10亿。

 

最终的结果是,“维权联盟”和NTT最终以庭外和解结案。德州大学承认“NTT并未窃取其技术机密”,但是NTT被迫将所拥有的磷酸铁锂电池材料专利授权给德州大学。此外,NTT还支付了3000万美元的和解金。

 

对外授权专利的一方反而向对方掏钱,其实也就意味着NTT默认了偷窃古迪纳夫技术的事实。

 

但和A123的官司却以失败为告终,原因是A123背后的靠山实在是过于强大,不仅有美国能源部这样的官方背景,还有通用汽车这样的巨头扶持。作为关系到未来国际竞争力的新能源产业的关键领域,美国这样的大国怎么会不树立起一两家标杆企业呢?

 

而且通用即将在2010年推出Volt,这款被其寄予厚望的纯电动汽车采用的就是A123的磷酸铁锂电池。如果A123败诉,Volt也将陷入侵权纠纷。这显然也是美国政府不愿意看到的。

 

这之后,“维权联盟”又把手伸向了中国台湾,在这座不到4万平方公里的小岛上分部了大大小小的上千家电池厂,其中绝大多数都没有专利授权。因为台湾出产的电池几乎全部用来出口,所以为了避免专利纠纷,这些台湾企业都选择了“花钱消灾”的方式处理此事。

 

但那些在本土市场就能就地消化的公司,在本国政府的保护下,待遇就不一样了。因为专利的战争,本质上就是国与国之间的较量,在保护知识产权的漂亮外衣之下隐藏着的,其实正是国家利益和商业利益的考量。

 

 

全球各大车企都将新能源技术作为未来发展的方向,电动汽车也成为各方争夺的焦点领域,发展电动汽车也已经成为越来越多国家普遍形成的共识。而这次为了磷酸铁锂电池专利,欧洲与美国之间也终于撕破了脸面。

 

2009年12月9日,欧洲专利局裁决,撤销授予美国德州大学对磷酸铁锂电池的欧洲专利拥有权,同时也裁决古迪纳夫教授等人在欧洲不拥有该项专利的发明权。

 

此前,德州大学就磷酸铁锂电池专利,已经在美、日、德、意、英、法、加七国申请了专利保护。为了保护本国的电池和汽车产业,一纸判决书说撤销就撤销了,这是不是有点耍流氓?

 

在中国,2003年3月,H-Q公司以国际申请专利为基础进入中国,向中国国家知识产权局提出名称为“控制尺寸的涂敷碳的氧化还原材料合成方法”的发明专利申请,2008年 9月国家知识产权局正式批准,授予其CN100421289C的专利。

 

H-Q公司所获得专利共125项权利要求,覆盖了包括磷酸铁锂等多种正极材料及其主要制造技术。这意味着,中国境内所有在产的磷酸铁锂电池公司都属于侵权了,都需要向H-Q公司缴纳专利使用费。

 

随即,H-Q公司开始广撒“英雄帖”,要求中国公司向其一次性缴纳1000万美元专利入门费或者是每吨磷酸铁锂材料缴纳2500美元。

 

2010年8月,中国电池工业协会向国家专利复审委员会提出加方专利无效请求,以“专利不具有新颖性”、“专利技术缺乏创造性”、“专利文件修改超范围”、“专利权利要求得不到说明书支持”等7方面理由向中国专利复审委员会提出请求裁定加拿大公司专利无效的申请。

 

2011年5月28日,国家专利复审委员会对加拿大魁北克水电等公司的发明专利做出无效决定,对修改后的111项权利要求宣告全部无效。国家专利复审委员会给出的专利无效理由:一是授权文本的修改,超出了原始申请文件记载的范围,不符合我国专利法第33条的规定;二是授权文本的权利要求方案得不到说明书的支持,不符合我国专利法第26条第4款的规定。

 

成百上千家相关公司舒了一口气,国家利益至上,在此不做评判。

 

“维权联盟”在全球范围内四处挥剑,牵涉多个国家和公司的磷酸铁锂专利混战如火如荼的时候,磷酸铁锂还被认为是最适合为电动汽车提供动力的电池,但是他们没料到的是,一种结合了镍酸锂、钴酸锂和锰酸锂三者优点的一个全新的正极材料体系,已经在加拿大的一家实验室里悄然诞生。

 

2001年4月的一天,加拿大达尔豪斯大学的物理学教授兼3M集团加拿大公司的首席科学家杰夫·达恩( Jeff Dahn)发明了可以规模商业化的镍钴锰三元复合正极材料,从而使这种材料突破了走向市场的最后一步。

 

其实,早在三元体系及制备方法就被提了出来,例如1997年9月日本电池株式会社发明了采用共沉淀法制备镍钴铝三元材料;1999年11月日本中央电气工业株式会社发明了共沉淀法制备阳离子掺杂的镍钴锰三元材料;2000年9月美国IIion Technology公司发明出采用固相法制备三元材料的技术。

 

但受制于当时的材料技术和设备工艺水平,这些技术都只能存在于实验室的瓶瓶罐罐之中。

 

但至今业界公认杰夫·达恩是三元材料技术的真正开创者和发明者,这是因为达恩精确限定了NMC镍锰钴材料中镍的含量,从而显著提高了三元材料的性能。2001年4月27日,3M公司向美国申请并在2005年11月15日获得了编号为US6964828B2的专利,从而成为三元材料的基础核心专利。基础专利意味着,只要是在三元体系下,就是谁都绕不过去的。

 

而几乎在同一时期,美国的阿贡国家实验室(ANL)也在2001年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申请成功专利。ANL锂电研发的负责人就是前面提到的,古迪纳夫的学生,发明了锰酸锂的萨克雷。

 

2012年,特斯拉开始爆发渐势崛起的势头,马斯克开出数倍高薪从3M的锂电研发部门挖人。借此机会,3M顺水推舟,采取人走但是专利权留下的策略,彻底将电池部门解散,开始通过对外输出专利和技术合作的方式赚取更高的利润。

 

3M选择的合作伙伴是比利时的优美科公司(Umicore),当今世界最大的电池正极材料供应商。双方采取深度绑定策略,优先向对方提供专利授权和技术合作,并且退出正极材料生产领域的3M还会把客户推荐给优美科。

 

除了优美科之外,3M将专利授权给了包括松下、日立、三星、LG、L&F和SK在内的多家日韩锂电企业,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ANL的专利只授权给了三家:德国化工巨头巴斯夫、日本正极材料厂户田工业以及韩国的LG。

 

为什么3M和ANL手中掌握的都属于三元体系之中的核心专利,但在市场接受度上却有着如此之大的差距?

 

因为这两项专利侧重点存在着很大的差异,3M的技术侧重于化学计量比的常规三元材料,而ANL的富锂高锰层状正极材料至今还存在着一些难以克服的技术瓶颈,所以产业界普遍认为ANL的技术路线实现规模产业化的可能性不大,作为动力电池应用到电动汽车上的的可能性更是微乎其微。

 

两相对比,业内大多数公司都选择向3M购买更具商业价值的三元材料专利授权。而巴斯夫虽然花了大代价和ANL结成产业同盟,站队富锂高锰路线,然而身体却很诚实,其真正批量生产的三元正极材料正是化学计量比的技术路线,也就是说本质上买了ANL专利的巴斯夫却用的是3M的专利技术,这算典型的侵权啊。

 

但就是这样,让所有人都想不到的是,2015年4月初,巴斯夫居然反咬一口把优美科给告了,称其侵犯了ANL和他的专利权。

 

就这样,全球两大顶级的产学研联盟,一边是巴斯夫-ANL-萨克雷,一边是优美科-3M-杰夫·达恩,一边是德美同盟,一边是比美联军,围绕着三元材料的核心专利,正式开战。

 

 

巴斯夫和ANL这样做,都是被逼的。

 

巴斯夫,这家业务遍及全球,年营收近千亿欧元却依旧坚持把总部莱茵河畔的路德维希港的全球第一化工巨头,近些年来在其重注的新能源业务上却连栽跟头。

 

这个世纪的前十年,巴斯夫把赌注压在了氢能和燃料电池上,其决策层认为未来传统汽车的转型方向无疑是氢燃料电池。这家以石油化工为主业的公司转型新能源的决心换来疯狂收购,仅仅是2006一年,就接连拿下了美国特种化工品公司Engelhard和德国燃料电池初创公司Pemeas,并且在当年就成立了专门的燃料电池分公司。

 

但后面的事实证明,很显然巴斯夫上错了牌桌。因为仅仅在一年之后,全球范围内除了像丰田这样的极少数派至今仍旧在坚持以外,欧美主流车企几乎可以说全部都放弃了燃料电池汽车路线。巴斯夫首当其冲,燃料电池难以为继,至今处于半死不活的状态。

 

眼见氢燃料电池路线失败,不认栽的德国人立刻转换到锂电池路线上来,进而又是一场大收购:2012年2月,美国镍氢电池公司Ovonic和电解液公司诺莱特(Novolyte );2012年11月,美国贝克安德伍德(becker underwood)公司;2015年4月,德国默克集团(Merck KGaA)的全球电子化学业务。在花了十几亿美元之后,在整合了自己在总部原有的锂电正极材料部门的基础上,正式成立了包括镍氢电池和锂离子电池(正极材料和电解液业务)的电池材料部。

 

但因为协调和整合全球多个分公司的不顺畅,以及对新业务好不熟悉的德国总部犯了一系列决策失误,导致巴斯夫在锂电正极材料的业务上数年时间没有进展。以中国市场为例,在动力电池抢到疯的2015年,这家有着做着全球第一正极材料供应商美梦的化工巨头只卖出了区区几百吨的三元正极材料。

 

而同一时期,同行优美科的正极材料生意做得风生水起,不让巴斯夫眼红是不可能的。

 

而此刻他的盟友ANL的处境也好不到哪去。作为美国能源部(DOE)的主管科技研发业务的亲儿子,ANL在过去若干年花了DOE数亿美元的研发经费用来研发锂电池,而花公款是要向纳税人给个交代的。

 

几亿美元的投入换来的却是一纸不能产业化的专利证书,这万万是交代不过去的。实际上,整个2015年,一直有传闻说对研究成果颇为失望的DOE将大幅度削减锂电项目资助,闹得ANL内部人心惶惶。

 

于是乎,巴斯夫和ANL这对一个卖不出正极材料,一个卖不出正极材料专利的难兄难弟,终于将矛头指向了共同的敌人——此刻正风生水起的优美科和3M。

 

于是在2015年4月,巴斯夫正式向美国国际贸易委员会(ITC)和特拉华州威尔明顿地方法院提起诉讼,指控优美科侵犯了其两项锂电池专利权。巴斯夫起诉优美科,显然能够得到以下几点好处:一、转移公众视线和行业注意力,占据舆论高点而化被动为主动;二、一旦胜诉,不但会赢得行业声誉,还有巨额的侵权赔偿款,在向法院提交的文件中,巴斯夫可是说“优美科的侵权行为已经对他造成数十亿美元的经济损失呢”;三、一旦赢了官司,以后偌大的美国市场就都是巴斯夫和ANL的了。

 

过程很复杂,直接说结果,巴斯夫和ANL胜诉,ITC裁决禁止由优美科制造生产的或代表其制造生产的,进口的或代表其进口的侵权锂金属氧化物正极材料未经许可在美国境内销售。

 

业界嘘声一片。

 

后人分析,ITC罔顾基本科学事实闭眼瞎判是出于两点考虑:一、DOE以官方身份介入了这场知识产权纠纷以保存自己和ANL的颜面;二、当时巴斯夫已经投重资在美国俄亥俄州建设了一座正极材料工厂,这无疑是个重要的加分项。

 

这场官司再次证明,涉及战略产业的知识产权审判,往往其决定作用的不是基于科学和事实,而是大国间出于长远经济利益的考虑。政府通过干预司法而掌握知识产权战略的制高点,已不算什么秘密。

 

启示

 

一、越是尖端科技的研发,越要重视专利的保护。专利是最核心的机密和利益相关。

 

二、无论是磷酸铁锂还是三元材料,核心技术以及核心专利都没有在中国人手里。基础材料科学容不得半点虚假,靠的是一个国家和民族长久以来的坚持和投入。中国在锂电池研发上的投入与日本相比,人力上是1/10,资金上是1/100。扎实刻苦搞研发需要的是平常心和恒心,快速发财的心态要不得,只有更扎实更长期的努力,才能做出成绩。

 

三、尊重知识产权,我们不一定要通过研究绕过别人专利、或者推翻别人的专利才算胜利,找到适合自己发展的方式与途径才是正道。锂离子电池经过第一代钴酸锂和第二代磷酸铁锂和三元锂,正在朝着第三代迈进。前两代的核心技术和专利都被外国公司瓜分完毕,中国由于起步较晚而没有先发优势。

 

四、中国或许可以通过提前布局,努力在下一代实现超越。但是也必须认识到,一般电池材料情况是:五年时间的基础研究,五年的应用研究,五年的产品开发,所以我们必须做好打持久战的准备。

 

后记

 

时年已九十有六的古迪纳夫老爷子依旧站在科技前沿和带学生的第一线,这是一位淡薄了名利,如春风化雨一般的老人。每年的诺贝尔化学家,这位科技巨擘都是最热门的人选,但又每年陪跑,希望老爷子能够在有生之年获得这一殊荣,虽然我们知道他压根就不在乎这个。老爷子至今心心念念的是在活着的时候,对下一代的固态电池做出实质性的贡献。


祝福老爷子。

 

吉野章是每年陪着古迪纳夫老爷子陪跑诺奖的业界泰山北斗,目前也致力于推动下一代锂电池的技术进步。

 

杰夫·达恩至今活跃在产业前沿,虽然正在奔七,但却依旧坚持一周工作六天时间,坚持带学生,坚持做实验,令吾辈汗颜。

 

2009年,A123 IPO成功,股价在交易第一天飙升50%,但在经历短暂辉煌之后,之后3年时间就破了产,落得个最后被中国万向集团收购的结果。应了那句老话:起得来,落得也快。

 

今天,无数的产业人士还在为着锂离子电池能够有着更高的能量存储能力、功率能力、更好的循环寿命和安全性能,以及降低其成本而不懈努力。

 

谨以此文致敬:世界锂离子电池产业开创者,为推动人类科技和历史进程做出卓绝贡献的,品节高贵无私的,今天依旧勤勉、踏实、低调地坚持奋战在锂电研发第一线的约翰·班尼斯特·古迪纳夫(John Bannister Goodenough)、吉野章和杰夫·达恩(Jeff Dahn)。

 

并感谢:行业资深人士Michael Li 对本文做出的重要贡献;

 

作者微信:99771985



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