手機沒「炸」多虧他，半路出家搞物理玩電池，一躍成為鋰電之父
鋰電池曾和晶體管一起被視作電子工業中最偉大的發明，而且晶體管的發明人巴丁還摘得了諾貝爾獎。
鋰電池雖無榮譽，卻也實實在在填充了電子工業中能源的空缺，在當時引起了一大波熱潮。
50年代的廣州電池廠
但現在電池技術卻成為了科技發展最大的短板，越來越不耐用的手機電量便是最直觀的體驗。
相比其他技術飛快的成長，鋰電池技術始終原地踏步，每次電池效率僅有7%~8%的提升，罕有巨大的突破。
為了讓電池能夠應對增長驚人的功耗問題，人們只得另闢蹊徑地增大電池體積，提出快充、無線充電等技術。
鋰電池的本質卻沒有發生變化，不盡人意的蓄電量和安全問題仍讓科學家們頭疼。
不知道多少次，CPU的性能又翻了一番，鋰電池卻還是那個鋰電池。
事實上如果不是「足夠好」先生，鋰電池連現在這水平也不一定有。
「足夠好」先生原名叫約翰·古迪納夫，英文名Goodenough正是他被稱「足夠好」的緣由。
他已經在電化學領域堅持了48年，當他47歲第一次接觸電化學時，鋰電池仍是易燃易爆炸的代名詞。
隨後30年的研究生涯，他屢次發現更為合適的鋰電池陰極材料，這才讓鋰電池變得安全而又實用。
如今看見鋰電池糟糕的進境，95歲的老爺子不得不再次出山了。
古迪納夫（John B.Goodenough）
____________
古迪納夫在一個富足的家庭成長，但童年生活卻極為壓抑。
他的父親是大學歷史老師，高學歷卻不擅於照顧家庭，最終和他的母親離了婚，娶了自己的研究助手。
糟糕的家庭環境讓古迪納夫極度厭惡，他只想考上一個足夠遠的大學，逃離家庭。
古迪納夫考入了耶魯大學後，徹底放飛了天性。
他先是學習古典文學，隨後又轉而攻讀哲學，為了湊學分，他還多選修了兩門化學課。
後來一位數學教授認為他頗具天賦適合學數學，他被誇得一陣目眩，又轉修數學。
最終他取得了數學學士學位，從耶魯大學畢業。
1930年代的耶魯校園
古迪納夫憑藉聰明才智，沒有因為頻繁更換專業而荒廢了學習。
但畢業後，他總是飄忽不定的想法，讓他始終找不到合心意的工作。
恰逢此時二戰爆發，古迪納夫便順勢參加了美國空軍，隨後被派到太平洋一個海島上收集氣象數據。
求職的經歷讓他發覺自己的問題所在，他開始考慮選擇一個方向持之以恆地堅持下去。
20世紀中期，正是物理學大放異彩的時候，這也深深吸引了古迪納夫。
從海軍退役後，古迪納夫來到芝加哥大學，決心進修物理。
當時一名教授告誡他，他的年紀太大了，已經過了博取成功的年齡。
這話說得沒錯，愛因斯坦26歲提出相對論，波爾28歲提出玻爾模型，而此時的古迪納夫已經30歲。
幸運的是，此時的古迪納夫已不再是大學時的自己，他堅定地選擇了繼續讀物理。
讀博期間，他的導師是物理界大牛克拉倫斯·齊納*。
當時，古迪納夫的研究領域是固體物理，在大牛導師的指導下，他的物理基礎格外紮實。
*註：齊納30歲時發明了二極體，因此享譽業界。
克拉倫斯·齊納
畢業之後，古迪納夫被推薦進入麻省理工學院的林肯實驗室工作。
在這裡他主要負責固體磁性的相關研究，並發現了材料中磁體交換的規律*。
也是此時，他首次接觸到了電池，不過研究的是鈉硫電池。
*註：該規律以他和合作夥伴的名字命名為了Goodenough-Kanamori規律，這一項技術最終發展成了電腦內存技術。
福特的鈉硫電池，來自1966年的專利申請
早在1780~1800年，伏打發明了伏打電堆時，電能就被人們重視了起來。
1859年時，汽車還曾用鉛酸電池*作為主要能源，隨著電子打火裝置等一系列發明出現，汽油逐漸佔據優勢，電能也遭到了淘汰。
但依賴化石燃料作為能源始終讓人擔心未來，人們總是期盼有一種電池能夠替代化石燃料成為主要能源。
因此大量的電池研發項目不斷湧現，電池研發成了一種時髦。
*註：鉛酸電池是以鉛為電極，硫酸作為電解液，與其他電池相較之下能量密度低，也不具備循環壽命。
電池三要素分別是正極、負極和電解質，想要提高電池的性能必須改善這三者。
當負極發生氧化反應，放出電子，而在正極同時發生還原反應，接收了來自負極的電子，也就產生了電流。
因此如果兩個電極能夠放出和接收大量的電子時，發電效率將會提高。
又或者可以通過充電補充電池內的電量，需要時再釋放出電流，電池的效益也能提高。
當時，幾乎所有的電池研究都在沖著這些目標在努力。
鋅銅伽伐尼電池示意圖
古迪納夫研究了鈉硫電池之後，開始對能源材料的研究有了興趣。
恰巧此時美國正受到阿拉伯石油禁運的影響，能源儲備問題被不斷放大。
明朗的前景更是堅定了古迪納夫研究電池的想法。
1976年，古迪納夫受到了牛津大學邀請，擔任無機化學教授一職。
也是同一年，英國化學家Whittingham在電池領域取得了驚人進展。
Whittingham和他的同事發現了鋰離子可以在電極間來回穿梭，具備了充電能力，並能在室溫下工作。
隨後Whittingham成功研製了新型鋰電池，輕便和電量足的屬性完全碾壓了市面上的碳鋅電池和鎳鎘電池。
古迪納夫（前排左二）與同事合影，攝於1982年牛津大學
加拿大的Moli Energy公司主動充當了第一個吃螃蟹的公司。
他們大量生產了鋰電池，發售全球，瞬時霸佔了全球電池市場。
但不到半年，鋰電池起火爆炸的新聞不絕於耳，Moli公司只得趕緊召回所有電池。
經歷這件事後，Moli公司一蹶不振，被日本NEC公司收購。
為什麼鋰電池會有這麼嚴重的安全隱患？
原來鋰電池在使用過程中，鋰金屬表面會逐漸析出鋰結晶，結晶呈樹枝狀或針狀，因此也稱作鋰枝晶。
尖銳的枝晶有可能穿透電池正負極之間的隔膜，造成電池內部短路，引起電池自燃。
鋰枝晶
這個問題引起了古迪納夫的思考，他在林肯實驗室時曾因為實驗需要大量研究了金屬氧化物材料的性質。
他根據自己掌握的理論，推測氧化物電極或將能夠克服這些問題。
說做就做，他和兩位博士後助手開始有條不紊地研究金屬氧化物結構，不斷記錄著各項數據。
持續實驗的四年，古迪納夫和他的團隊終於發現了一種名為鈷酸鋰的材料。
鈷酸鋰獨特的晶體結構，使得鈷酸鋰較之金屬鋰更為溫和，在枝晶問題上得以改善。
不僅如此，這種氧化物拔高了電池的使用電壓，提升了電池儲存電量。
鈷酸鋰的特殊結構使鋰原子流動快速
兩年後，古迪納夫實驗室又發現了另一種更為穩定和便宜的材料——錳酸鋰。
但可能是Moli公司的前車之鑒，這一次竟沒有公司願意嘗試任何新鋰電池技術。
直到1991年，索尼公司才與古迪納夫達成合作，利用自主研發的陽極材料石墨與鈷酸鋰相結合，研究成了十分理想的可充電鋰電池。
在古迪納夫當年實驗室門外豎起的牌匾，用於紀念鈷酸鋰的發現
全新的電池一經問世，直接改變了電子產業的格局。
索尼公司將可充電鋰電池應用於相機、隨身聽、CD播放器等輕便電子設備上，頓時風靡全球。
鋰電池開始不斷投入生產，筆記本電腦、手機也運用起了這些技術，形成了每年數十億美元的產業。
誰也沒想到，古迪納夫在70歲時迎來了人生的大滿貫。
麻麻哋啦
但古迪納夫也沒有滿足於現狀，因為他清楚鋰電池的安全隱患並非真的消失了。
他和他的實驗室仍在不斷嘗試，1997年時，古迪納夫將研究的大致方向告訴了助手後便去度假了。
這可是一個美滿的假期，當古迪納夫回到實驗室時，助手告訴他發現了又一種適合商業化的鋰離子陰極材料——磷酸鐵鋰。
一幅顯示了Goodenough實驗室中發現的晶體結構的圖表
誰也沒想到鋰電池三次改進都出自同一位教授之手，而且會是一位30歲才入行的大齡科學家。
各種獎項不斷敲開古迪納夫的家門：
2009年，他獲得了費米獎，以及英國皇家化學學會頒布（以他命名）的「John B.Goodenough獎」。
2013年，他獲得奧巴馬親自授予的美國國家科學獎章。
不過糟心事也不少，幾乎每年他都會被提名諾貝爾獎，但每年都會錯過。
不過作為諾貝爾獎陪跑者，他卻絲毫不覺得失落，他曾說：有些人就像是烏龜，走得慢，也找不著路，但它卻能夠一直不停地爬下去。
如今古迪納夫已經95歲，不過他可不打算退休了。
現在的每一天都仍在做實驗，今年又投身超級電池的研發之中。
很多實驗室早已開展了超級電池的研究，但一種能量密度高、安全性佳、循環壽命久、無記憶還對環境沒有污染的電池哪是那麼容易找到的？
古迪納夫倒是設想了一種全固體電池方案，並且已經有了一些頭緒。
據說，古迪納夫是實在瞧不上現在每年電池提高的那點兒，這才打算自己出手。
有些人可能覺得創新是年輕人擅長的事情，例如矽谷就有著強烈的年輕崇拜。
老爺子卻根本不屑這種思想，他曾說：我只有92歲，我還有許多時間。
*參考資料
《Witness to Grace》（2008）,John B.Goodenough的自傳.
Steve, LeVine. The man who brought us the lithium-ion battery at the age of 57 has an idea for a new one at 92[OL] .QUARTZ: 2015.2.5 .
《鋰電之父Goodenough專訪丨要敢於在交流中坦然暴露出自己的無知》,材料人網採訪.
黃彥瑜. 鋰電池發展簡史[J]. 物理, 2007,36(08).
電池, 維基百科. 2017.9.13 .
____________
作者系網易新聞·網易號「各有態度」簽約作者
內容為【SME】公眾號原創，歡迎轉載
※數理學霸被「忽悠」學生物，險些轉行賣保險，30年後竟成學術大明星
※創造了程序語言的女學霸，生前定義程序bug，死後引發千年蟲危機
※大壩截斷尼羅河，產電價值達5億美元，卻因淤泥阻塞千萬人將流離失所
※製造了無數恐怖事件，這位毒梟卻被老百姓尊為救世主，竟還差點當上總統
※他受狼孩啟發，把猩猩與兒子一起養大，沒把它教育成人卻把兒子養成了猩猩
TAG:SMETalk |