三位推動(dòng)鋰電池發(fā)展的科學(xué)家，今天獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
他們分別是美籍科學(xué)家約翰·古迪納夫（John B. Goodenough）、英籍科學(xué)家斯坦利·威廷漢（Stanley Whittingham）和日籍科學(xué)家吉野彰（Akira Yoshino）。
英國(guó)皇家學(xué)會(huì)主席文基·拉馬克里希南評(píng)價(jià)說(shuō)：“古迪納夫在材料科學(xué)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)從根本上改變了我們今天認(rèn)為理所當(dāng)然的技術(shù)。從為你口袋里的智能手機(jī)供電，到他對(duì)磁性的定義，這些貢獻(xiàn)為科研和工程開(kāi)辟了新的途徑。他為鋰離子電池開(kāi)發(fā)的陰極是在他的同事威廷漢教授的研究基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，而吉野彰教授的研究使其在商業(yè)上變得可行。”
諾貝爾獎(jiǎng)官方聲明寫(xiě)道：“他們?yōu)橐粋€(gè)無(wú)線、無(wú)化石燃料社會(huì)創(chuàng)造了適當(dāng)?shù)臈l件，從而為人類(lèi)帶來(lái)了最大的利益。”
沒(méi)有這些技術(shù)，就沒(méi)有現(xiàn)在這些便捷的智能手機(jī)、筆記本電腦，以及正在開(kāi)啟的電動(dòng)汽車(chē)的時(shí)代。
古迪納夫
其中，古迪納夫教授今年已經(jīng)97歲，成為年齡最大的諾獎(jiǎng)獲得者。
截止發(fā)稿，諾獎(jiǎng)工作人員還沒(méi)聯(lián)系上他。今天他在倫敦領(lǐng)取英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的科普利獎(jiǎng)?wù)隆澜缟献罟爬系目茖W(xué)獎(jiǎng)?wù)隆?/p>
實(shí)驗(yàn)室里的古迪納夫。今年，他又發(fā)表了新論文。
古迪納夫想通過(guò)電池的研究，來(lái)改變?nèi)祟?lèi)對(duì)化石燃料的依賴。
他說(shuō)，在毀滅性的能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題來(lái)臨之前，我們還有30年的時(shí)間研發(fā)新電池并使之商業(yè)化。
“這就是我去世之前要做的事情——留下一個(gè)更清潔，更美好的世界?！?/strong>
古迪納夫的童年并不美妙。
他曾在自傳中提到了幾段重要的關(guān)系：兄弟姐妹，一只狗，一位家庭傭人，以前的鄰居。這份名單里沒(méi)有他的父母。
孤獨(dú)的他甚至一度患上了閱讀障礙，喜歡跑進(jìn)叢林里，看上一整天的動(dòng)植物。他喜歡抓蝴蝶和土撥鼠，曾經(jīng)因?yàn)榘橇艘恢怀赭钠ざ唤股献莱燥垺?/p>
上大學(xué)前，父母離異了。耶魯大學(xué)的錄取通知書(shū)對(duì)古迪納夫是一種解脫。
出發(fā)前，父親只給了35美元，而一年的學(xué)費(fèi)就要900美元。但他決定不再依賴家里，而是通過(guò)給富家子弟做家教來(lái)養(yǎng)活自己。
在耶魯，古迪納夫度過(guò)了一段略顯混亂的探索期。
他先后修了四個(gè)專(zhuān)業(yè)的課程，入學(xué)時(shí)讀古典文學(xué)，畢業(yè)時(shí)拿的是數(shù)學(xué)學(xué)士學(xué)位。中途還轉(zhuǎn)去過(guò)哲學(xué)系，為了湊學(xué)分學(xué)過(guò)2門(mén)化學(xué)課。
服役時(shí)期的古迪納夫
畢業(yè)后趕上“二戰(zhàn)”。古迪納夫本想加入海軍陸戰(zhàn)隊(duì)，但被數(shù)學(xué)老師阻止了。他被派到一個(gè)海島上測(cè)量氣象數(shù)據(jù)。
戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束后，依靠對(duì)退伍軍人的補(bǔ)貼，他獲得獎(jiǎng)學(xué)金，準(zhǔn)備去芝加哥大學(xué)學(xué)習(xí)物理。
為了趕上別人，這個(gè)大齡學(xué)生不得不注冊(cè)初級(jí)本科課程，一位教授對(duì)此嗤之以鼻：“在你這個(gè)年紀(jì)，那些物理巨匠們都已經(jīng)榮譽(yù)等身了”。
考物理學(xué)研究生時(shí)，第一次掛了，又考了一次才過(guò)。
他的導(dǎo)師是“齊納二極管”的發(fā)明者齊納，后者對(duì)他說(shuō)：“現(xiàn)在你面臨兩個(gè)問(wèn)題：一是找到一個(gè)問(wèn)題，二是把它解決掉。祝你好運(yùn)”。
古迪納夫選擇了凝聚態(tài)材料，終生沒(méi)有再離開(kāi)。
02
“我當(dāng)時(shí)也不知道它會(huì)這么值錢(qián)，
我只知道這是我應(yīng)該去做的事”
1976年，古迪納夫成為牛津大學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任。
同一年，埃克森美孚申請(qǐng)了鋰電池發(fā)明專(zhuān)利。它比其他電池更能儲(chǔ)電，但也有一個(gè)致命的缺陷：容易起火爆炸。
牛津大學(xué)時(shí)期的古迪納夫
當(dāng)時(shí)，一家叫作Moli Energy的公司造出了一款使用鋰金屬作為電極的鋰電池，結(jié)果問(wèn)世后不到半年，這種電池就因?yàn)榘踩珕?wèn)題被全球召回。
日本公司NEC收購(gòu)了一蹶不振Moli Energy，立即投入了巨大的人力物力對(duì)那款失敗產(chǎn)品進(jìn)行研究。他們發(fā)現(xiàn)，鋰電池易燃的癥結(jié)，出在使用金屬鋰上。
Moli Energy制造的鋰電池
金屬鋰的表面容易形成枝晶——從鋰金屬表面生長(zhǎng)出的“小樹(shù)枝”，它們神出鬼沒(méi)，難以被完全消除。這些枝晶會(huì)在電池使用過(guò)程中越長(zhǎng)越大。如果有一天，它大到刺破了正負(fù)極之間的隔膜，就極易引發(fā)安全事故。
而且金屬鋰的化學(xué)性質(zhì)太過(guò)活潑，極易燃，它們稍微與空氣一接觸，就可能釀成大禍。
對(duì)鋰金屬進(jìn)行改良的難度太大，必須找到一種新材料替代金屬鋰。
鋰表面的枝晶
古迪納夫研究的新材料就在這時(shí)恰如其分地出現(xiàn)了。
他研究的新材料叫作鈷酸鋰。
找到這種材料時(shí)，他已經(jīng)57歲了。
鈷酸鋰晶體結(jié)構(gòu)
在鈷酸鋰的晶體結(jié)構(gòu)中，鋰原子被壓在鈷原子和氧原子構(gòu)成的兩道平板之間。由于結(jié)構(gòu)特殊，鋰原子可以被輕易地單獨(dú)提取出來(lái)，提供電池正極所需的鋰離子。
這個(gè)發(fā)明極大解決了原有鋰電池的兩大死穴。鈷酸鋰的化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，不會(huì)一接觸空氣就易燃易爆炸；雖然沒(méi)能完全杜絕，但鈷酸鋰表面產(chǎn)生枝晶的概率已經(jīng)小了很多。
不過(guò)，因?yàn)橹暗氖鹿?，這個(gè)成果沒(méi)有被牛津重視，專(zhuān)利被送給了一個(gè)政府實(shí)驗(yàn)室，后來(lái)又被索尼買(mǎi)走。
古迪納夫沒(méi)有拿到專(zhuān)利的錢(qián)，他說(shuō)，“反正我做這個(gè)的時(shí)候也不知道它會(huì)這么值錢(qián)。我只知道這就是我應(yīng)該去做的事?！?/p>
發(fā)現(xiàn)鈷酸鋰后第三年，古迪納夫（前排左二）與牛津同事的合影
索尼公司很快研發(fā)出一款可充電的鋰離子電池。
鈷酸鋰電池雖然安全性能大幅提高，但還是有不足之處：
（1）它太貴了。鈷產(chǎn)量不高，還是重要的戰(zhàn)略資源，拿來(lái)做電池成本太高。
（2）使用一段時(shí)間后，電池的性能會(huì)衰減。因?yàn)殇囯x子被從兩層之間提取出來(lái)后，崩塌的鈷酸鋰晶體就無(wú)法再存儲(chǔ)鋰離子了。
在發(fā)現(xiàn)鈷酸鋰之后的幾年里，古迪納夫又接連發(fā)現(xiàn)了好幾種實(shí)用的好材料。
1983年，古迪納夫和他的學(xué)生發(fā)現(xiàn)了錳尖晶石是優(yōu)良的陽(yáng)極材料，因?yàn)檠趸院艿停退愠霈F(xiàn)了短路也不會(huì)燃燒或爆炸。
1989年，他又和同伴發(fā)現(xiàn)，使用聚電解質(zhì)類(lèi)材料（如硫酸鹽）能讓陽(yáng)極產(chǎn)生更高的電壓。
磷酸鐵鋰晶體結(jié)構(gòu)
1997年，已經(jīng)75歲的古迪納夫又拿出新成果：磷酸鐵鋰。它的晶體結(jié)構(gòu)比鈷酸鋰更穩(wěn)定；使用的元素——磷和鐵——比鈷更便宜易得；它的使用壽命更長(zhǎng)，用過(guò)2000次之后，容量還能維持在80%以上，而鈷酸鋰電池的使用壽命只有500-800次；它還比鈷酸鋰充電更快，工作溫度范圍更廣。
但是枝晶這個(gè)技術(shù)難題仍然沒(méi)能徹底解決。在90歲那年，古迪納夫產(chǎn)生了一個(gè)新的構(gòu)想：全固態(tài)電池。如今，這項(xiàng)研究已經(jīng)取得了初步的成果。
2013年，古迪納夫獲得美國(guó)國(guó)家科學(xué)獎(jiǎng)?wù)?/p>
鋰電池的潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了發(fā)明者的想象。
2年前在接受《時(shí)代》采訪時(shí)，古迪納夫說(shuō)：“在我開(kāi)發(fā)電池的時(shí)候，我還不知道電氣工程師會(huì)怎么處理電池。我真的沒(méi)料到會(huì)有手機(jī)、攝像機(jī)和其他東西?！?/strong>
是的，如今我們使用的每一部手機(jī)、每一臺(tái)筆記本電腦、每一塊電子手表，和其他各種可充電的電子產(chǎn)品，都裝載著鋰離子電池。也正是因?yàn)楹髞?lái)的不斷革新，近些年風(fēng)頭正盛的電動(dòng)車(chē)等設(shè)備才成為可能。
倫敦大學(xué)學(xué)院的材料學(xué)家Mark Miodownik說(shuō)：“鋰電池是最具影響力的材料科學(xué)之一。同樣值得注意的是，盡管它們已經(jīng)有30年的歷史了，但直到現(xiàn)在，這項(xiàng)技術(shù)仍然沒(méi)有黯然失色?！?/p>
因此，鋰離子電池的研究拿到諾貝爾獎(jiǎng)，似乎早就是板上釘釘?shù)氖?。最近幾年里，每年頒獎(jiǎng)前，3位科學(xué)家都是這一獎(jiǎng)項(xiàng)的大熱候選。但是等了一年又一年，還是沒(méi)有輪到他們。
今天，當(dāng)三位科學(xué)家終于獲獎(jiǎng)的消息傳出，很多同行都說(shuō)，“終于被認(rèn)可了!”“獎(jiǎng)項(xiàng)來(lái)得太遲了?！?/p>
在發(fā)布會(huì)上，有記者特意問(wèn)瑞典皇家科學(xué)院秘書(shū)長(zhǎng)漢森，當(dāng)諾獎(jiǎng)工作人員打電話通知3位科學(xué)家時(shí)，有沒(méi)有哪位說(shuō)出了“終于”這個(gè)詞。答案是沒(méi)有。
與古迪納夫分享諾獎(jiǎng)的吉野彰。值得一提的是，包括吉野彰在內(nèi)，已經(jīng)有27名日本或日本裔學(xué)者獲得諾貝爾獎(jiǎng)。新世紀(jì)以來(lái)，已是19年19人。對(duì)于日本在諾獎(jiǎng)上的“井噴”現(xiàn)象，有分析認(rèn)為，這和日本對(duì)教育的重視有關(guān)。日元上印的人物，是教育家、文學(xué)家和科學(xué)家。他們?cè)诮逃幸埠芸粗貜男〖?lì)和保護(hù)孩子的好奇心。
吉野彰是個(gè)話少的人，接到諾獎(jiǎng)電話后，他只簡(jiǎn)單地說(shuō)，這個(gè)研究他做了4年，現(xiàn)在自己很高興。
有記者問(wèn)吉野彰：“您做這個(gè)研究是為了造福人類(lèi)，還是為了賺錢(qián)？”吉野彰說(shuō)，都不是，他做研究只是因?yàn)橛小昂闷嫘摹薄?/strong>
因?yàn)榕＝虼髮W(xué)有65歲強(qiáng)制退休的政策，所以，古迪納夫在64歲那年轉(zhuǎn)去了得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校。
“他有著驚人的頭腦，百科全書(shū)般的知識(shí)儲(chǔ)備。他既有天賦，又有對(duì)人類(lèi)做出積極貢獻(xiàn)的熱情。他是個(gè)很有原則的人?！惫诺霞{夫的學(xué)生比爾·大衛(wèi)回憶說(shuō)。
古迪納夫95歲生日，學(xué)生們?yōu)樗麘c生。
96歲時(shí)，古迪納夫表達(dá)過(guò)兩個(gè)愿望：首先，他希望能活到最后一個(gè)博士生獲得博士學(xué)位，所以他不會(huì)再接收4年的博士生。其次，他希望自己能活著看到他的研究第二次改變世界。
他正在研制一種希望能夠存儲(chǔ)風(fēng)能和太陽(yáng)能的超級(jí)電池，要足以讓電動(dòng)汽車(chē)和內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)真正匹敵。
業(yè)界對(duì)他很有信心，這倒不僅僅因?yàn)樗莻€(gè)“老權(quán)威”，恰恰是因?yàn)椤八匀缓苊翡J，思想仍然在突破”。
他說(shuō)，每個(gè)人都應(yīng)該不斷地去嘗試突破。
現(xiàn)在，97歲的他仍然精力充沛，差不多還是每天都去實(shí)驗(yàn)室。
多么好。
就像古迪納夫這個(gè)姓一樣——
Goodenough。
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古迪納夫愛(ài)笑，他的笑聲很有穿透力和感染力，幾個(gè)教室外就能聽(tīng)到。
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