必須重新調(diào)整量產(chǎn)工藝的決定性評價數(shù)據(jù)送到我這里的時候，正好是舉辦重新翻修的LIB制造工廠（福島縣郡山市）落成慶功宴的日子（圖1）。這個數(shù)據(jù)給還沉浸在“這一天終于到來了”的興奮與安心感之中的我們當頭一棒。
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圖1：1992年7月3日LIB量產(chǎn)工廠落成慶功宴
索尼能源技術公司在福島縣郡山市建設的LIB量產(chǎn)工廠的落成慶功宴當天，筆者接到了量產(chǎn)線制造的LIB性能出現(xiàn)問題的報告。 |
但筆者當時出乎意料地冷靜，這可能讓大家感到有些意外。因為在大約十年前，筆者已經(jīng)咀嚼過類似的苦澀。當時的任務是合成揚聲器振動板使用的聚甲醛晶須。如果成功，就能獲得全球首次實現(xiàn)有機高分子晶須實用化的榮譽。研發(fā)人員制造出小規(guī)模量產(chǎn)用合成裝置，然后裝進材料靜待反應結果。等了一整夜，終于到了打開反應釜的時候。當筆者迫不及待地拆下螺絲帽和螺母，懷著興奮的心情打開蓋子時，釜里卻連一絲晶須的影子都沒有，可以說是“竹籃打水一場空”。
筆者覺得，與那次的打擊相比，“這次好歹制造出了電池，聊勝于無”。但時間不等人。技術團隊自然是無心參加宴會，馬上就召開會議尋找原因，討論應對方案等事宜。當急急忙忙拿出對策，結束會議的時候，已經(jīng)差不多是晚上9點了，郡山市內(nèi)酒店舉辦的慶功宴也該散場了。
工廠廠長雖然參加了宴會，但一直坐立不安，散場后獨自跑到常去的小酒館，聲音低沉地給筆者打電話。
“怎么樣？不行嗎？”“沒問題。已經(jīng)想好對策了，包在我身上。”“那你馬上來一趟。”
當筆者打車趕到時，廠長已經(jīng)趴在吧臺上睡著了，整日操心也真是不易。后來，等到問題全部解決的時候，廠長感慨萬千地說：“我當時甚至想到新工廠非得改成保齡球館不可了。不過說起來，西君你真夠冷漠的。我那么拼命關心，你卻把我推開‘什么都別說，交給我了’。”這場順利渡過晶須危機的經(jīng)驗，轉(zhuǎn)化成了此次筆者的自信。
剛剛更改了工序
那么，問題究竟出在哪呢？通過詳細研究試產(chǎn)線與量產(chǎn)線的工序，問題歸結到了連續(xù)的兩個操作哪一個應該在先上。這就像是英國人爭論的“先倒紅茶還是先倒牛奶”的問題一樣。討論奶茶的沏法可以看做是閑得無聊，而在LIB的制造過程中，哪項工序在前卻是至關重要的主題。
我們在負極采用的是硬碳（HC），在吳羽化學工業(yè)（現(xiàn)名吳羽）公司內(nèi)設置了大型煅燒爐。試制設備和量產(chǎn)設備唯一也是最大的區(qū)別，就是粉碎工序的次序（圖2）。試制設備是先使原料在500℃下碳化，再對1100～1200℃高溫下正式煅燒制成的碳進行粉碎。但制造現(xiàn)場覺得粉碎工序太過繁瑣。因為硬碳，顧名思義，其質(zhì)地就是非常堅硬，粉碎需要巨大的力量，從能源成本考慮也不劃算。
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圖2：硬碳負極制造工序的區(qū)別
試產(chǎn)線是在碳化并煅燒后粉碎，量產(chǎn)線改為了粉碎后煅燒。雖然看似差別不大，但對性能有著嚴重的影響。 |
“這么點小事兒，輕而易舉就能搞定。”正式煅燒之前，也就是剛剛碳化、材料還比較軟的時候容易粉碎。“先粉碎不就行了嘛”，沒經(jīng)過深思熟慮，我們就調(diào)整了工序的次序。
之所以輕易同意變更工序，是因為在量產(chǎn)線之前，試產(chǎn)線小規(guī)模生產(chǎn)的LIB已經(jīng)開始供貨。索尼在這次風波發(fā)生的二年前，也就是在1990年2月14日就宣布開發(fā)成功了LIB（圖3）。LIB曾在1990年7月向K公司的手機供貨，當時碳負極使用的是焦炭。焦炭又名軟碳，質(zhì)地柔軟，根本無需討論粉碎的次序問題。按照以往的經(jīng)驗，我們誤以為硬碳也可以隨意調(diào)整粉碎的次序，就把“粉碎后煅燒”還是“煅燒后粉碎”看做是紅茶牛奶一般了。然而，這卻導致了離譜的結果。經(jīng)過仔細研究才發(fā)現(xiàn)，原來的想法大錯特錯。
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| 圖3：索尼在1990年發(fā)布的LIB |
與粘合劑的結合很弱 煅燒過程中，硬碳會發(fā)生以下變化：硬碳在500℃下碳化形成的大塊如果直接在煅燒前粉碎，碎裂后新露出的表面將出現(xiàn)懸鍵（未結合鍵）。1個碳原子有四個能與其他原子或原子團結合的“原子鍵”。例如最簡單的碳化合物之一甲烷（CH
4），就是碳的4個原子鍵各結合1個氫原子。
大塊硬碳內(nèi)部的碳原子與相鄰的其他碳原子結合。在粉碎成細顆粒后，暴露于表面的碳原子將與之前結合的碳原子分離，出現(xiàn)空閑的原子鍵，這就是未結合鍵。只要碰到其他原子，未結合鍵立即就會與之結合。比如說，如果加入粘合劑，粘合劑會輕而易舉地與未結合鍵結合，在粘合劑與碳原子之間形成牢固的結合。
即使碳化后馬上粉碎，顆粒表面也會出現(xiàn)未結合鍵。但在之后的正式煅燒過程中，情況將完全改變。碳化工序的溫度低，因此碳化不充分，除了碳之外，還殘留有其他元素，尤其以氫（H）居多。氫原子在正式煅燒中轉(zhuǎn)化成CH
4（甲烷）氣體脫離。這本身并無問題，但是，CH
4在高溫下會在碳塊的表面重新分解，生成碳和氫。分解后的碳會與粉碎產(chǎn)生的未結合鍵相結合。因此，在碳化并粉碎之后再進行正式煅燒的硬碳中未結合鍵變少，導致與粘合劑之間的結合力變?nèi)酰簿褪钦f容易從電極上脫落。這就是導致容量劣化的原因。
找到了原因，下面要采取什么對策呢？調(diào)整量產(chǎn)線的工序要變更裝置，非常麻煩，絕非上策。于是我們想到，既然碳的結合力變?nèi)趿耍蔷图訌娬澈蟿┑慕Y合力。在粘合劑供應商吳羽化學工業(yè)的技術團隊的幫助下，我們通過研究發(fā)現(xiàn)，由馬來酸酐接枝聚合
*而成的偏氟乙烯（PVDF）樹脂粘合劑對于粘合硬碳非常有效。
*接枝聚合：使作為母體的聚合物與具備其他功能的單體結合的聚合反應。 最終，吳羽化學工業(yè)設計出了可杜絕CH
4分解產(chǎn)生碳的工藝，煅燒出了容易與粘合劑結合的硬碳。方法相當簡單，就是在煅燒爐中充入氯氣，使原料碳化后產(chǎn)生的氫與氯發(fā)生反應，然后除去生成的HCl（氯化氫）
注）。
注） 寺田寅彥在隨筆集《柿種》中描寫了這樣一個片段。第一次世界大戰(zhàn)后召開的巴黎和會向德國下達了禁止制造飛機的禁令。對于這條禁令，德國是如何應對的？他們想到，只要沒有發(fā)動機就不能叫作飛機，于是發(fā)明出了滑翔機。寺田在隨筆的最后總結道：“就像詩人受委屈會寫出好詩一樣，技術人員在‘受壓’下會孕育出好的發(fā)明。”我們或許也是因為遭遇了不能出席慶功宴這樣的“欺凌”，才開發(fā)出了了更好的硬碳和粘合劑，從而為實現(xiàn)優(yōu)秀的LIB開辟了道路。 通過采取對策，面貌一新的LIB成功通過內(nèi)部用戶——家用攝像機部門的供貨檢驗，迎來了裝上卡車凱旋出廠的日子。此時，距離那次夢幻般的落成慶功宴已經(jīng)過去了1個半月，已經(jīng)是攝像機部門指定的供貨期限的最后一天。飽嘗出生陣痛的LIB在尺寸打破了常規(guī)，直徑為18mm、長度為65mm，介于5號干電池（直徑為14.5mm，長度為50.5mm）與2號干電池（直徑為26.2mm，長度為50.0mm）之間。而且，長度比1號電池的61.5mm還要長。
為什么要采用這種從未有過的尺寸？答案是為了滿足第一個用戶——索尼攝像機的容量需要。采用5號電池尺寸的話容量太小，而如果采用2號電池尺寸，容量雖然足夠大，但對攝像機而言體積又太大。權衡再三，只能選擇這樣的尺寸。
雖說是無奈之舉，但這個尺寸如今已經(jīng)成為LIB單元的一個事實標準。我們稱之為“18650”尺寸，現(xiàn)在不只是索尼，各公司都在使用這個稱呼。
“想要LIB就要和索尼搞好關系” LIB初次亮相的1991年，其產(chǎn)量還很小。在1992年建設量產(chǎn)線的時候，攝像機部門信誓旦旦地說，每銷售1臺攝像機，必定能賣出多塊電池。成長壯大的環(huán)境似乎已準備就緒。但事與愿違，每臺攝像機對應的電池組的銷量平均為1.2塊，銷售成績一塌糊涂。LIB就連能否站穩(wěn)腳跟都成問題。
好歹也得讓LIB生產(chǎn)線滿負荷運轉(zhuǎn)。懷著這樣的想法，不只是銷售人員，技術團隊也開始為招攬新客戶而四處奔走。功夫不負有心人，1994年，美國的個人電腦制造商戴爾電腦公司（現(xiàn)名戴爾公司）決定采用LIB。戴爾打出的“配備LIB的筆記本可以在飛機上從紐約用到洛杉磯”的宣傳語成了當時的熱門話題。
從那以后，索尼的LIB在電池行業(yè)的地位與日俱增。1995年10月的一天。“Power’95”電池會議在美國加利福尼亞州的圣克拉拉召開，筆者也作為特別演講嘉賓出席。這場會議為了吸引來自日本的與會者，現(xiàn)場安排了日英同聲傳譯，演講也可以使用日語。但是，由于同傳設備是當時的松下電池工業(yè)贊助的，筆者一上來就半開玩笑地提醒翻譯“請不要因為是松下電池贊助的同傳設備，就翻譯出不利于索尼的話來”。這句開場笑話引來滿場笑聲。
在會議上，戴爾副總裁強調(diào)LIB是優(yōu)秀的筆記本電腦用電池。在演講末尾的問答環(huán)節(jié)，有聽眾提出了“怎樣才能買到LIB”的問題。戴爾副總裁的回答是“請與索尼搞好關系”。在競爭激烈的今天，這句話聽上去似乎不可思議，但在當時，索尼在LIB領域的市場份額超過90％，而且產(chǎn)品幾乎全部供應給老客戶，新客戶很難買得到。之后，隨著涉足LIB的電池企業(yè)增加，個人電腦企業(yè)也紛紛開始采用LIB。LIB市場順利地成長壯大，索尼的LIB業(yè)務似乎也是一帆風順。
成功乃失敗之源 然而，這并不意味著事事順心。在索尼還沉醉于圓筒型LIB的成功時，其他電池企業(yè)已經(jīng)采取了能威脅到索尼地位的行動——手機用電池轉(zhuǎn)眼之間就替換成了方型LIB。
在索尼，我們開發(fā)部絲毫沒有怠慢方型LIB的開發(fā)，積累了隨時可以量產(chǎn)的技術。然而當時的業(yè)務部門卻固執(zhí)地認為“方型電池不會暢銷”。因為在過去，索尼曾經(jīng)為“Walkman”等產(chǎn)品制造過鎳鎘和鎳氫二次電池，也就是被稱作口香糖電池的超薄方型電池，但業(yè)務規(guī)模一直沒能擴大。而且，18650型電池業(yè)務發(fā)展順利，業(yè)務部門堅信沒有必要刻意發(fā)展新的電池，陷入了成功后不思進取，無法轉(zhuǎn)換思路的狀態(tài)，這一點再次印證了“成功乃失敗之源”這句話。
更不巧的是，其他公司推出的方型電池采用鋁殼。而18650的圓筒型外殼使用不銹鋼，索尼少量生產(chǎn)的方型電池使用的也是不銹鋼。這不單單是外殼材料不同，其中還包含著更大的問題。不銹鋼殼電池的外殼本身充當負極端子，頂部的小突起是正極端子，大家可以想象一下干電池的樣子。而使用鋁殼的話，外殼是正極，突起是負極，結構剛好相反。因為正極的集電體是鋁，所以采用鋁殼作為正極端子，設計會變得簡單。
大家或許會想，索尼的方型LIB也改用鋁殼不就行了？事情沒那么簡單。正極和負極的位置調(diào)轉(zhuǎn)的話，生產(chǎn)線也必須倒過來。這會加重成本負擔，因此我們只得放棄變更設計的想法。最終，索尼在手機用方型電池業(yè)務上落在了其他公司的后面。
另外，采用硬碳作為負極的LIB雖然一度風靡市場，但隨著充放電容量優(yōu)于硬碳的石墨負極的不斷崛起，索尼在這一點上也陷入了困境。雖然之前曾經(jīng)研究過石墨負極，但受到業(yè)務部門“硬碳取得了成功，沒必要改變現(xiàn)狀”這一觀念的拖累，我們的起步就落于人后。不幸中的萬幸，改換石墨負極無需大幅變更生產(chǎn)線，我們很快就迎頭趕上，但這個經(jīng)歷可以堪稱“成功乃失敗之源”的一個體現(xiàn)。
從熱潮到趨勢
產(chǎn)品化剛剛開始，LIB就得到了強烈的關注和期待。索尼發(fā)布產(chǎn)品3年后的1993年，有份報紙上刊登了“鋰離子高歌猛進”的報道，介紹了LIB即將凌駕于鎳氫二次電池之上的迅猛勢頭。當時LIB還沒有被用于個人電腦，只是得到了AV產(chǎn)品和部分手機的采用。
之后，筆記本電腦、數(shù)碼相機等等各種各樣的產(chǎn)品都開始使用LIB。2008年，排除鉛蓄電池不計，LIB的實際供貨量占到了二次電池的約3/4（圖4）。未來估計還會向車載等領域普及。
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圖4：二次電池市場的實際規(guī)模與預測（不包含鉛蓄電池）
《日經(jīng)電子》根據(jù)IT綜研在25th International Battery Seminar & Exhibi（t Mar. 17, 2008）上發(fā)布的資料制作。 |
據(jù)說，產(chǎn)品和時裝的流行、普及可分成3個階段。第一個階段是短時間流行，而且范圍小。這叫作“Fad”。用時裝來簡單打個比方，“澀谷休閑風格”就屬于這一類。如果時間延長、范圍變大的話，就叫作“Boom”（熱潮）。比如說“橫濱傳統(tǒng)風格”時裝在東京和神戶都曾受到關注，流行了很長一段時間。這可以叫作熱潮。
如果熱潮擴散到全國并且長期延續(xù)，就進入了“Trend”（趨勢）階段。從LIB的普及歷程來看，索尼1993年剛剛開始量產(chǎn)時屬于熱潮階段。而時至今日
*，LIB已經(jīng)登上小型二次電池的王者寶座，可以說已經(jīng)處于趨勢階段。
