车用锂离子电池系统

GM位于底特律的哈姆特拉米克组装厂

   美国的制造业目前正处于困境之中。这无论对于该国的经济还是创新的未来都不是什么好消息。
    制造业衰落是外包惹的祸？
 
    美国通用电气公司（GE）有一个像飞机库般的建筑，这里曾是组装蒸汽涡轮机的地方，不过现在，一套投资达1亿美元的电池生产设施正在这里建设，GE将使用一种从未如此大规模商业化的化学工艺来制造新产品。在离这儿数公里外的GE研究中心，一个由材料科学家和工程师组成的团队已对这种新型的卤化钠电池进行了数年的测试和优化。现在，同一批研究人员正负责在这个足以容下三个半足球场大的生产设施中再现这些研究成果。
 
    GE的研究中心坐落在一座极具田园风光的山上，从这里可俯瞰美丽的莫霍克河，而现在，GE的工程师们纷纷搬迁到了位于纽约斯克内克塔迪市郊的生产现场，该市在鼎盛时期曾有“电气城”的美称。在那里，他们将负责指导自动化机械设备、高温窑及分析设备的安装和调试。新型卤化钠电池将使用一种新型陶瓷作为电解质，与目前用于数据中心、重型电气设备及备用电源的铅酸电池相比，这种新技术存储的电能要高达3倍之多。
 
    新型电池、电动汽车、太阳能发电市场目前正在迅猛增长，GE的这个工厂只是全球各地为这些市场制造新产品的诸多设施中的一个，但这些努力似乎并不能使美国制造业正陷入困境的现实有所改观。为极力降低成本而经过几十年的外包生产后，许多美国大公司已经失去了拓展和生产当今最新技术所必需的复杂工程和设计专长，更别提其中所蕴含的风险意愿了。
 
    如果你认可托马斯•弗里德曼关于“世界是平的”观点，并认为将制造业迁移至生产成本更低的地方可使企业变得更具竞争力，那么这种转移对美国经济和工人的影响也许并不相关。虽然美国仍然是世界上最丰富的新技术产地，特别是与材料相关的领域，但制造能力的减弱可能会严重削弱全球创新的证据正在不断涌现。有充分的理由相信，美国计算机产业在过去几十年里成功地将其大部分生产进行外包，本土只优先于设计而不制造的范式，将无法在能源、先进材料及其他新兴行业的创新技术产业化中得以成功复制。
 
    美国的学术研究人员已开始从美国制造业的衰落如何影响新技术的兴起着眼，探讨创新和制造之间的复杂联系。哈佛商学院的管理学教授史兆威创建了一个最近几年美国正在失去其在制造业中领先地位的基本技术清单，其中就包括晶硅片、液晶显示器、太阳能电池及许多新型电池所用的功率半导体技术等。他详细描述了“产业基础”（研究诀窍、工程技能及实现特定技术所需的制造专长）的缺失，也往往意味着创造相关技术进步的知识和激励机制的缺失。例如，当硅半导体生产及相关供应链转向亚洲时，美国硅基太阳能电池技术的发展就受到了阻碍。
 
    卡耐基梅隆大学副教授埃里卡•福克斯的研究表明，美国光电子制造商在把生产线迁离美国后，在很大程度上已经放弃了集成光电子技术的开发。在21世纪初该产业崩溃后，许多美国电信公司被迫转向亚洲寻求更低成本的产品，但生产实践的差异性表明，在这些国家生产光电子芯片并不具经济可行性。于是，一项曾被认为离计算机甚至是光学感应器革命仅几步之遥的技术就这样被抛弃了。经济学家也许会说，不必关心产品在哪里生产，但福克斯认为，生产地可对“你所选择生产的产品乃至技术轨迹本身”造成极大的影响。
 
    对很多业内人士来说，创新和制造之间的关系已成为一个必须要关注的问题。GE负责先进技术的副总裁迈克尔•艾德奇说：“我们体会到，没有制造业的立足地，创新能力就会受到显著影响。”外包生产的问题，不只是你最终失去了你的工程专长，还有“企业将不得不依赖于别人对于下一代产品的创新”。他说，其中的一个影响是，研究人员和工程师失去了对制造工艺的理解。
 
    根据最新统计，几十年来一直作为世界上最大制造国的美国，现在对世界制成品的贡献为19.4％，排名第一的中国的贡献已达19.8％。即使在高科技产品方面，美国的进口量也已超过其生产量。这些统计数字对就业、国家竞争力甚至国家的政治和社会结构都会产生影响。特别是就长期而言，更令美国人担忧的是，制造能力的下降是否意味着下一代技术创新的迟滞？美国能否在高风险的制造业上重振往日的风采？当今最有前途的许多创新技术是否会殊途同归，遭受与集成光子芯片一样的悲惨命运？
 
    电动车会是制造业救星？
 
    几十年来一直作为美国汽车制造业中心的底特律城，过去常以其城市建设为荣。一个现代化的棒球体育场矗立在市中心的边缘，附近则是繁华的剧院区。然而现在，从通用汽车公司（GM）总部光闪闪的玻璃大楼及河滨正在崛起的新公寓步行不远的距离，你就能看到一片片空空荡荡的摩天大楼。在城市郊区，被克莱斯勒高速公路和埃德塞尔•福特高速公路隔开的地区，放眼望去，成片的被废弃的工业厂房显得如此苍凉。在密歇根州，22%的工作仍与汽车制造密切相关，但底特律汽车制造业历经10年的破产和销量暴跌后，该地区的经济已是举步维艰。自2000年以来，密歇根东南部已失去了近50万个就业岗位。
 
    然而，就在这一片废墟中，GM哈姆特拉米克组装厂则是一个“秩序和活力”的绿洲。这个于20世纪80年代中期建成，曾制造过凯迪拉克和别克的巨无霸企业，正在向人们展示重建底特律的决心。在工厂的前面，大片的太阳能电池板已安装就位，在访客停车场的边缘则是一排排配有电气插座的车位。
 
    厂房内，凯迪拉克和别克的装配线已经被GM最近推出的电动车雪佛兰Volt和它的欧洲版欧宝Ampera取代。电动车几乎填满了生产线上的每个可用空间，GM希望到明年能将电动车的产量提升到6万辆。
 
    所有生产活动的中心是T型的锂离子电池，它是新车的心脏乃至大部分密歇根人的经济希望之源。新电池重162公斤，这与20世纪90年代GM命运多舛的第一代电动车使用的410公斤重的铅酸电池相比已是一个巨大进步。更小、更轻的新电池更易容纳在一辆像Volt这样的紧凑型轿车中，而且新的化学工艺也提高了车辆的性能。
 
    如果GM明年能制造6万辆Volt，这些车将很快地把几家大型电池制造厂的产量消耗殆尽。但是，如果由于更便宜和更高效的电池导致电动车市场突然起飞，电池的需求量将会大大超出人们的预期。据估计，如果电动车占据美国汽车销量的十分之一，将需要43个大型电池工厂为汽车制造商进行配套生产。
 
    GM和其他汽车制造商之间对电池的潜在需求，已催生了在底特律周围320公里范围内至少6家电池制造和装配厂正在开工建设。在奥巴马政府对先进电池生产和电动汽车的24亿美元资金推动下，这方面的发展情形也许代表了该地区的制造业基础复苏的前景，同时也是在创建这样大的基础设施过程中所面临的巨大挑战的一个写照。
 
    距底特律哈姆特拉米克组装厂以北大约200公里就坐落着全美最大的新电池工厂之一——陶氏柯卡姆。这家由陶氏化学公司、TK先进电池公司和法国马塞尔达索集团组建的合资企业，目前正在密歇根的米德兰建造一个3.22亿美元的工厂，建成后将可为3万辆电动汽车提供足够的锂离子电池。虽然建设尚在进行，大部分设备仍在安装之中，但已能粗略看出其操作的规模和复杂程度。在一个大的挑高房中有大量的自动化机架，每个电池单元都将在这里“成形”，并按照一套严格的操作程序对电池进行充电和放电，以精确地设置其化学性能。正是这种规模和对细节的关注，吸引了像陶氏化学这样的世界第二大化学品生产企业的眼光。
 
    像GE的艾德奇一样，陶氏化学公司首席技术官威廉•班霍尔泽也承认拓展新技术存在的风险。但他认为，陶氏的规模和雄厚财力使其能够承受小公司难以承担的风险，而且其大量的基础设施亦使其能有效地将制造过程的各个方面进行集成。陶氏的规模也允许它通过进入其他新能源市场来对冲其在电池上的赌注。在陶氏柯卡姆这个巨型制造企业的对面，它正在建设一个太阳能制造工厂，这个工厂将生产含有薄膜光伏器件的屋面瓦。班霍尔泽说：“直到你开始实际生产，你才能看清真实的成本和缺点。”在建一个示范工厂就要耗资5亿美元的能源企业里，“风险资本模型被打破了，”他补充道，“有一个很大的问题是：小公司如何能在这一领域与大公司竞争？”\

   以小博大要想得更周全
 
    班霍尔泽确信新创公司无法在生产能力上与GE或陶氏这样的企业进行抗衡，但小公司在一些最具前景的技术，特别是新材料和新能源的交集技术上可有所作为。如果这些技术能经济地进行生产，他们可以大大拓展现有市场。新兴公司面临的最主要挑战是，寻求一种能利用现有技术诀窍来将他们的技术制成产品，同时又能开发出足以对既定技术造成冲击的新产品的途径。
 
    Sakti3公司首席执行官安•玛丽•沙斯特里清楚地表明新创公司也可以做到这一点，坐落在密歇根州安娜堡一个小型工业园中的这家公司正在致力于下一代固态电池技术。沙斯特里说，新电池将没有液态电解质，而且将使用过去曾制作土豆片包装的制造设备，除此之外她拒不透露任何相关的技术细节。但她进一步解释了这家新创公司将如何从竞争激烈的先进电池领域中脱颖而出。
 
    沙斯特里认识到，任何新技术必须承诺其优势要远超过现有产品。电池的能量密度增加一倍，就可对通信设备供电产生巨大的影响，特别是在无法频繁充电的地方。对交通运输的影响也将是巨大的，更高能量密度和成本显著降低的新电池可将电动汽车的需求提升到一个全新水平。
 
    于是，她和她的同事们从“元素周期表”起步来发明一种新的电池。从一开始，这家公司就认识到技术必须要成规模。“我们并没有拿张白纸就匆匆上马，”她说，“而是尽量从分析已经或是将能规模化的制造方法开始入手。”
 
    在周期表中寻找或能颠覆现有技术的材料，是目前正处于早期阶段的新创能源公司最常用的策略。麻省理工学院的材料科学家格布兰德•希德在几年前发起了一个“材料基因组计划”，他利用计算机在已知的化学世界里对材料的特性进行分析和预测，并希望创建一个开放的信息数据库。其主要目标之一是更有效地鉴别出适于制造的材料。
 
    希德对有可能成为电池材料的多种化合物进行了系统分析。他于2009年与人共同创办的培林公司，利用其材料基因组计划开发的计算机工具，已确定了一种镁基电池的新阴极材料。如果它能顺利工作，新电池的能量密度将比现有锂离子电池提高一倍或两倍。同样重要的是，它们还可为现有的锂离子电池生产提供原料。这一点是十分关键的，因为“如果发明一种新材料，可能要花上5年至10年，但如果你还要发明一种新设计，它可要花上10年至20年”。
 
    一些正处于创业阶段而又极具前景的能源新创公司正努力规避那些众所周知的制造局限性。例如，由加州理工学院和加州大学伯克利分校的研究人员创建的阿尔塔器件公司正在开发一种利用只有一微米厚的砷化镓薄膜来制作光伏电池的新方法。砷化镓被广泛用作激光器和其他光学器件的原料，其具有优良的光学特性，但对于大多数太阳能电池来说则过于昂贵。然而，这项新技术只使用极少的的该种材料，故其价格不再令人望而却步。阿尔塔器件公司花了数年时间来完善生产工艺，目前它已开通一条试产线，以便在明年生产光伏材料，并希望在2013年进行商业化生产。
 
    扩大能源技术的风险和成本正在日益增长，对于新创公司来说，在构思其创新时就考虑到制造的可行性已成为常态。但是，一家小公司又如何在需要巨额资金投入的竞争激烈的太阳能电池市场上取得成功？与一家大公司进行合作或许是一个聪明的策略。阿尔塔设备公司正与陶氏公司合作为其太阳能瓦生产研发下一代材料；通用汽车则成了Sakti3公司的投资者。尽管如此，能源新创公司面临着令人望而却步的事实，那就是将创新技术拓展为成功的制造业务需要耗费数以亿计的美元。
 
    不过，至少最近就有一个成功的例子。
 
    成功或许需要天时地利
 
    当蒋业明基于其在麻省理工学院的电池材料研究成果于2001年与人共同创办A123系统公司时，美国还没有先进电池制造业。虽然美国一直在从事大量的科研工作（最终导致锂离子电池的发明），得克萨斯大学的研究也取得了相当的进展，但却是索尼公司在1991年对电池进行了商业化。随后，韩国和中国的制造商对电池技术进行了重大投资。锂离子电池的能源密度达到了镍镉电池的4倍，新型镍氢电池的两倍，从而成为了消费电子设备的主导技术，促成了现今小巧而功能强大的手机和笔记本电脑的问世。
 
    与此同时，美国两大电池生产商金霸王和永备（现在已改名为劲量），在20世纪90年代试图开发自己的锂离子电池产品。永备公司甚至在佛罗里达州的盖恩斯维尔建了一个工厂，但正当工厂准备进行商业化生产时，锂离子电池的价格开始下降，购买日本厂商的产品要比自己制造更为便宜，于是永备退出了锂离子电池业务，不久金霸王也步了其后尘。
 
    因此，蒋业明及其A123公司的同事在中国常州建立了一个制造工厂。蒋业明认为，此举并不意味着将生产外包，而是要获得所需的生产技术诀窍。随后，A123又购买了一家韩国制造商，开发电动汽车用平板电池所需要的专业技术。当A123决定需要与其底特律的潜在汽车客户拉近距离时，它在密歇根州利沃尼亚市克隆了一个韩国工厂，并在数公里远的罗穆卢斯克隆了一个中国工厂，还从联邦政府获得了2.49亿美元的拨款资助。实施此一策略的结果是，A123在相当短的时间内成了一个主要的电池制造商，利沃尼亚工厂的建设只花了一年多时间，而罗穆卢斯厂的建设只花了9个月。
 
    该公司很快成为了美国最引人注目的能源新创公司之一，并建成了号称2010年“全美最大”的车用锂离子电池工厂。该公司于2009年上市，筹集了近400亿美元的资金。但不幸的是，对于希望能效仿这种成功范例的公司来说，A123当时从私人和公共投资获取近10亿美元的政策和金融环境早已一去不复返了。
 
    A123的经验之一是“到底要花多少钱”才能获得成功。蒋业明说：“人们疑惑不知多长时间才能将A123的经验复制一次，在当前的气候下，人们不禁又要问是否有这样的意愿去一遍遍地复制这样的经验。” 对于生物技术产业来说，商业化的路径在这些年里已变得十分清晰，那就是和大型制药公司合作，达成预期的成果，然后静待新产品所需的监管审批过程。但对于能源新创公司来说，却没那么简单。蒋业明称，其最新的新创公司24M正在开发一种全新的电池技术。这些正在开发新能源技术的小公司至今仍在“摸着石头过河”。
 

   创新是一种团队运动
 
    不久前，Evergreen太阳能公司位于马萨诸塞州马尔堡的已建成3年的生产厂房前，挂出了一幅大大的“出租”标牌。Evergreen于去年8月宣布破产，一个月后Solyndra公司步其后尘，这两起事件引发了人们对太阳能电力未来的大辩论。特别是，Solyndra公司这家位于硅谷的制造企业，曾获取了来自美国联邦政府5.35亿美元的贷款担保，其倒闭引发了人们对政府在支持可再生能源方面所担任的角色的质疑。
 
    美国政府在“挑选能源技术赢家”方面的纪录一直差强人意。当然，拓展新技术规模本身就是有风险的，但铺天盖地的批评意见已使那些应如何从破产事件中吸取有益教训的辩论显得相形见绌。在许多方面，这些公司的策略和执行失误都是制造方面的失误。他们的业务模式依赖于使用全新的技术，以降低太阳能电池板的成本，却无视新技术在最初阶段几乎从不会比那些经过优化的现有工艺更便宜。而这两家公司的产品创新都不足以吸引大多数客户为其支付溢价。Evergreen和Solyndra公司遭遇了许多意想不到的市场变化，如硅价格的突然下降和太阳能板的生产过剩，但这两家公司在传统太阳能电池板上持续降低制造成本的能力，不应当因破产而被一笔抹杀。
 
    从这两家公司的破产中，还有其他的经验教训可以吸取。Evergreen公司的创新仅围绕使硅片制造成本更低的一个关键工艺环节展开。不过，该公司制造和销售的是完整的太阳能电池板，而且他们的产品尺寸不同于行业标准，从而迫使其客户处于一种无法对其特定技术作出长期保证的不利局面。
 
    同样，Solyndra公司在生产方面犯了一系列错误。在2009年12月提交给政府监管部门的一份文件中，该公司承认，“我们的用户定制设备也许要比预期花更长时间和更多成本来完成设计和制造，而且可能永远无法实现我们的生产计划。”这样的警示用语在文件中比比皆是，如此看来，他们是有先见之明的。特别是，Solyndra公司试图快速提升其制造能力，它还在扩张第一个生产厂的同时就已在计划建造第二个生产厂，由于成本相对较高，该公司很快就消耗了巨量的投资。回想起来，有一点是显而易见的，那就是两家公司都太急于扩大生产能力，而对其独特的生产工艺、竞争对手或是客户需求了解太少。
 
    有一种方法可避免这样的错误，那就是加强新技术开发公司之间的合作。分享设施可为芯片制造商、设备供应商和工程公司提供一个产品开发和评估的机会。美国半导体制造技术产业联盟（Sematech）去年的业务营收已达120亿美元。其提出的最新倡议是，以复苏上世纪80年代和90年代半导体产业相同的方式，帮助重振美国太阳能产业。
 
    这种协作方式甚至吸引了诸如GE这样的大型制造商。艾德奇说：“创新是一种团队运动。”协作机会是特别重要的，因为制造商目前正处于过渡时期。起始于2008年的全球经济衰退造成了大量的产能过剩，但原材料和劳动力成本却不断上升。这意味着，通过竞逐廉价劳动力来挤压制造成本变得不再有效，为了保持竞争力，企业需要向“高风险，高回报”的高端产品和材料制造转移。但是，这种高风险的生产需要一个供应商、设备制造商和客户之间的“生态系统”。
 
    这个生态系统在本质上就是史兆威所称的“产业基础”。它是美国在液晶显示器和集成光电子技术上已经失去的东西，也是美国在先进电池技术上几乎失去的东西，还是美国在硅太阳能电池板技术上正在迅速失去的东西。这正是A123和陶氏公司在先进电池技术上试图重建的东西，也是Sematech在薄膜太阳能电池板技术上所倡议的东西，更是像培林、24M和阿尔塔设备公司等新创企业都希望善加利用的东西。
 
    具有讽刺意味的，这些新创公司的生存在很大程度上将取决于他们希望最终取代的市场是否强大和持续增长。然而，“产业基础”是脆弱的，他们的生存既取决于市场，也取决于政府的政策。密歇根州的先进电池制造业的降生主要得益于奥巴马政府的支持。其兴旺发展将取决于GM和其他公司能售出多少辆电动车，以及政府是否能继续为这个新兴产业提供激励措施，包括投入研究经费。从长远来看，它的健康发展极大地依赖于那些处于创业阶段的新创公司能提供多好的创新技术，由此造成的影响将是深远的。正如史兆威所描述的，美国已经数次失去了关键的制造业及相关的创新技能。如果先进电池、太阳能电池技术乃至先进材料的制造再遭遇更多变故，必将损害未来技术的创新能力。
 
    最近，蒋业明总要忙里偷闲，到离他麻省理工学院实验室5分钟路程的24M公司的狭小板房中转转。大约3年前，就在蒋业明从麻省理工学院请了长假在A123公司工作的时候，他已开始思考下一代电池技术会是什么模样。制造锂离子电池的大部分成本在于各种非活性成分和对电极和阴极进行分层的繁杂工艺上，实际能量存储部分（电极和电解质）约只占总成本的五分之一。他在想，如果能设计出一种电池，它可摆脱非储能成分和昂贵的电池模块组装，那会是什么光景？结果是，24M公司开发出了“流”电池，其中电极以半固态的形式进行循环。这种设计的一个潜在好处是，生产的资本密集程度较低。更重要的是，其设计可与现有供应链和制造锂离子电池的基础设施相匹配。
 
    蒋业明称，他在A123的经验对于新电池的设计是十分关键的。“从事电池研究的最好方法是开一家电池厂，”他说，“贴近制造，你才能认识到什么才是最大的影响因素。这是制造对于设计之重要性的一个最好例证。”（记者 冯卫东 综合外电）