Изобретение аккумулятора: интервью с доктором Акирой Ёсино, лауреатом Нобелевской премии 2019 г.

Томоки Саваи, Бюро ВОИС в Японии

В 2019 г. Нобелевская премия по химии была присуждена д-ру Акире Ёсино, д-ру Стэнли Уиттинхэму и д-ру Джону Гуденафу за основополагающую работу по созданию литий-ионных аккумуляторов, этих миниатюрных энергетических систем, от которых зависит энергообеспечение наших мобильных устройств. Благодаря изобретению легких модулей питания начался взрывной рост в области мобильной электроники. Кроме того, сегодня они приносят и экологическую выгоду, позволяя разрабатывать электромобили с большим запасом хода и способы эффективного хранения энергии из возобновляемых источников.

Д-р Ёсино изобрел и запатентовал первый в мире литий-ионный аккумулятор, после чего вся его деятельность была связана с совершенствованием этой технологии. За время своей работы он получил более 60 патентов, связанных с литий-ионными аккумуляторами. В этом интервью он рассказывает о трудностях, которые ему пришлось преодолеть в процессе их разработки, и о роли стратегического использования патентных прав в формировании процветающего глобального рынка для этой технологии.

Как вы начали заниматься химией?

Я всегда интересовался природой. Однажды, еще в начальной школе, один из учителей посоветовал мне прочитать книгу Майкла Фарадея «История свечи». В результате у меня родилось множество вопросов, хотя до этого я не интересовался химией. Так все и началось. Затем я изучал квантовую органическую химию в Киотском университете.

Как вы начали разработку литий-ионного аккумулятора?

В начале 1970-х годов я присоединился к Группе поисковых исследований в Корпорации Asahi Kasei. Эта группа занималась изучением новых материалов общего назначения. Те проекты, в которых я работал изначально, не дали результатов, поэтому я начал искать новый объект приложения усилий. В то время наблюдался большой интерес к полиацетилену, удивительному электропроводящему полимеру, свойства которого были предсказаны д-ром Кэнъити Фукуи, первым лауреатом Нобелевской премии по химии из Японии. Открыт этот материал был д-ром Хидэки Сиракава, лауреатом Нобелевской премии по химии 2000 г.

Сначала я изучал виды применения полиацетилена. Однако на тот момент в японской электронике назрела потребность в новом легком и компактном аккумуляторе для обеспечения энергией разрабатываемых мобильных устройств. В этой области работали многие исследователи, но существовавшие анодные материалы были нестабильны и, возможно, небезопасны, т. е. требовался новый анодный материал. Я предположил, что в этом качестве можно использовать исследуемый мною полиацетилен (потому что сквозь него могут проходить катионы, схожие с ионами лития), начал экспериментировать, и все получилось.

По сути дела, мое основное исследование по литий-ионным аккумуляторам началось в 1981 г., в тот год, когда профессор Фукуи получил Нобелевскую премию по химии. Примечательно, что исследованиями в этой области занимались восемь нобелевских лауреатов, что свидетельствует о сложности самой задачи.

К 1983 г. я разработал новый тип аккумулятора, где анод изготавливался из полиацетилена, а катод — из оксида лития-кобальта. Кстати, оксид лития-кобальта, первый катодный материал с содержанием ионов лития, выделил в 1980 г. один из моих коллег-лауреатов д-р Джон Гуденаф.

Как развивались ваши исследования после этого прорыва?

Какое-то время все шло хорошо. Прототип был на треть легче стандартного никель-кадмиевого аккумулятора, что было плюсом. Однако нам не удалось добиться значительного снижения веса, и мы не смогли уменьшить размер аккумулятора. Это ставило вопрос о целесообразности работы в целом, так как для отрасли электроники миниатюризация была приоритетом.

Проблема заключалась в малой относительной плотности полиацетилена, из-за чего аккумулятор получался легким, но большим по размеру. Это делало его непрактичным. Мы начали искать подобный полиацетилену материал большей плотности. Идея состояла в том, чтобы использовать какой-нибудь углеродный материал (он обладает относительной плотностью примерно 2,2 и состоит из таких же сопряженных двойных связей, что и полиацетилен). Но подходящего углеродного материала не существовало, что нас очень расстраивало.

Литий-ионные аккумуляторы сделали мобильные информационные технологии реальностью сегодняшнего дня. А в будущем они станут одним из ключевых элементов формирования экологически устойчивого общества.

Однако решение было найдено в самой корпорации Asahi Kasei. Другая исследовательская группа разработала новый углеродный материал, обладающий характерной кристаллической структурой. Это было углеродное волокно, выращенное из газовой фазы (VGCF). Оно стало хорошей заменой полиацетилену. Мне удалось получить образец этого материала. Как и ожидалось, когда мы сделали из него анод, получился легкий и компактный аккумулятор.

Как вы поняли, что миниатюризация важна?

Поскольку мы в Asahi Kasei не были специалистами по аккумуляторам, внутренние дискуссии по поводу того, что нужно отрасли, ни к чему не привели. И, конечно, мы не могли просто обратиться к производителю аккумуляторов и попросить предоставить нам конфиденциальные сведения о начальных этапах исследований. Однако я встретился с бывшим одноклассником одного из директоров Asahi Kasei. Этот человек был сотрудником компании, которая занималась производством аккумуляторов. В разговоре он подчеркнул важность миниатюризации, так как производителям смартфонов нужны были аккумуляторы, помещающиеся в узкие отсеки.

Для меня это было показательно в плане того, как важен обмен идеями между представителями разных отраслей. Подобное взаимодействие крайне важно для стимулирования технологического развития, равно как и широкого распространения и внедрения новых технологий.

Насколько общая специализация корпорации Asahi Kasei в области материаловедения повлияла на разработку литий-ионного аккумулятора?

Изначально задача заключалась в создании новых материалов на основе полиацетилена. Однако по мере хода исследований мы поняли, что отрасли необходимо множество новых материалов — для катодов, электролитов, сепараторов и т. д. Вместо того, чтобы сделать новый катод, возникла идея аккумулятора. Корпорация Asahi Kasei начала заниматься этой темой, потому что вела исследования в области новых материалов, и смогла разработать литий-ионный аккумулятор именно благодаря тому, что не была специалистом в этой области.

Если бы я занимался исследованиями в компании, производящей аккумуляторы, я бы вряд ли начал работать с полиацетиленом или VGCF. В конечном итоге, стимулом для создания новых продуктов являются новые материалы и наличие возможностей для работы с ними.

Какое влияние оказали литий-ионные аккумуляторы?

Литий-ионные аккумуляторы сделали мобильные информационные технологии реальностью сегодняшнего дня. А в будущем они станут одним из ключевых элементов формирования экологически устойчивого общества. С точки зрения решения экологических проблем аккумулятор, способный хранить электричество, — это ключевое устройство. Это стало признаваться шире примерно в 2010 г., когда появились электромобили. В тот год был выпущен автомобиль Nissan Leaf. Это было действительно эпохальное событие. С этого момента для производства электромобилей начали использовать литий-ионные аккумуляторы. За последующий период в области повышения энергоемкости литий-ионных аккумуляторов (т. е. того расстояния, которое можно проехать на одном заряде) и снижения издержек был достигнут большой прогресс. Однако до сих пор требуют решения проблемы, связанные с долговечностью (сроком службы) аккумуляторов.

Литий-ионные аккумуляторы не смогут решить все экологические проблемы, но в сочетании с другими инновациями, такими как искусственный интеллект (ИИ) и интернет вещей, они будут играть ключевую роль в формировании экологически устойчивого общества.

Вам принадлежит множество патентов. Что вы думаете о патентной системе?

Основополагающая цель патентного законодательства заключается в стимулировании технологического прогресса во всеобщих интересах. В обмен на исключительные патентные права необходимо раскрыть новую технологию обществу, способствуя тем самым ее широкому распространению. Именно так произошло с литий-ионными аккумуляторами.

Корпорация Asahi Kasei добилась успеха в области разработки аккумуляторов, но не специализировалась в ней. Поэтому нам нужно было определить направление коммерческого использования этой технологии. После длительного обсуждения было решено следующее: a) наладить сотрудничество с подходящим партнером (Toshiba) в целях коммерциализации аккумуляторов;
b) начать коммерческое использование других связанных с аккумуляторами материалов в рамках существующего бизнеса Asahi Kasei, и
c) активно лицензировать технологию литий-ионных аккумуляторов.

Благодаря программе лицензирования технология литий-ионных аккумуляторов стала доступна множеству новых производителей, что позволило повысить ее рентабельность, надежность и безопасность. Также это способствовало распространению технологии, укреплению доверия потребителей и получению компанией прибыли от лицензирования. Технология и предоставляемые ею преимущества стали доступны каждому. В этом весь смысл изобретений.

Как вы думаете, каким образом следует усовершенствовать систему интеллектуальной собственности?

В современном глобализированном мире стало сложно реализовывать исключительные права на патенты. Даже если запретить людям имитировать, они продолжают это делать! Более того, срок действия патентных прав ограничен, из-за чего крайне сложно получить выгоду от экономической ценности лишь посредством лицензирования. Думаю, необходимо задуматься о других способах обеспечения возврата инвестиций и окупаемости. Например, это может быть бизнес-модель на основе технологии литий-ионных батарей, в рамках которой технология коммерциализируется как услуга, а не как конечный продукт, что позволяет получать прибыль на последующих этапах. Подобную модель используют такие платформы, как Google, Apple, Facebook и Amazon. Она обеспечивает бóльшую окупаемость. Этим компаниям удалось преуспеть в создании подобных платформ и в установлении глобального стандарта, который расширил рынок для их технологических услуг. Некоторые из них даже предоставляются бесплатно. Например, Google предоставляет свою операционную систему Android бесплатно в целях расширения сообщества ее пользователей. И здесь мы видим, что стоимость бизнеса по производству смартфонов создается не за счет самого телефона, а за счет его использования. Такая бизнес-модель часто встречается в сфере ИТ, и она вполне может стать стандартом в будущем.

Помогла ли вам патентная система получить Нобелевскую премию по химии 2019 г.?

Отличие отраслевых исследователей от академических ученых состоит в способе обнародования достигнутых результатов. Академические ученые публикуют результаты своего труда, а отраслевые исследователи включают их в патентную документацию, которая сложна для понимания и которую до недавнего времени не воспринимали достаточно серьезно в научных кругах.

Однако в сообщении Нобелевского комитета прямо упоминается прототип литий-ионного аккумулятора, который я создал и запатентовал в 1985 г. Так что, видимо, это стало важным фактором. Также определенную роль, судя по всему, сыграло признание со стороны независимого учреждения. За первый патент на литий-ионный аккумулятор я получил Европейскую премию изобретателей от Европейского патентного ведомства. Видимо, это стало важным фактором при отборе кандидатур на получение Нобелевской премии.

Мой совет молодежи таков: будьте любопытными и используйте свою энергию для формирования навыков, уверенности в себе и знаний, необходимых для совершения крупных открытий и создания прорывных изобретений, которые станут ключевыми в этом столетии.

В целом же я думаю, что с точки зрения Нобелевской премии отраслевые исследователи находятся в невыгодном положении, поскольку, как правило, технологии, изложенные в патентных заявках, в состоянии понять только патентные эксперты, к которым я испытываю большое уважение. Соответственно, тем отраслевым исследователям, которые хотят претендовать на получение Нобелевской премии, нужно постараться получить какую-нибудь крупную награду!

Какое напутствие вы могли бы дать молодым ученым?

Время, когда можно начать заниматься новой темой, ограничено определенным возрастом. Этот возраст составляет примерно 35 лет. Именно в этот период начинали свои исследования многие поколения исследователей, получивших впоследствии Нобелевскую премию. Я начал фундаментальные исследования по разработке литий-ионных аккумуляторов в возрасте 33 лет. Это тот период, когда ты понимаешь принципы функционирования компании и общества и когда у тебя есть уверенность и решимость для начала нового дела, а в случае неудачи есть время, чтобы начать заниматься чем-то еще.

Думаю, способность Японии давать миру нобелевских лауреатов в будущем будет зависеть от того, в какой среде работают 35-летние сегодня и есть ли у них возможность реализовывать свои идеи и вести те исследования, которые могут стать основой для прорыва, достойного Нобелевской премии.

Какой совет вы могли бы дать молодым людям, которые в будущем мечтают стать учеными?

Сегодня молодежи доступна любая информация. Но многим кажется, что для них уже не осталось крупных изобретений или открытий. Однако это не так. Мы еще очень многого не понимаем об устройстве жизни и природы, и множество открытий еще только предстоит совершить.

Мой совет молодежи таков: будьте любопытными и используйте свою энергию для формирования навыков, уверенности в себе и знаний, необходимых для совершения крупных открытий и создания прорывных изобретений, которые станут ключевыми в этом столетии. Мы еще очень многого не знаем. Инвестируйте в свое будущее с помощью обучения. Представьте себя в 35 лет и подумайте, над чем вы могли бы работать.

В принципе я не верю, что детей можно заставить учиться. Мы должны научить их думать самостоятельно и выбирать собственный путь. Думаю, это лучшая стратегия.