圖片來源：德克薩斯大學奧斯汀分校官網(wǎng)

當?shù)貢r間6月25日，鋰離子電池共同發(fā)明人、2019年諾貝爾化學獎共同獲得者約翰·班尼斯特·古迪納夫去世，距離他 101 歲生日僅剩一個月。古迪納夫的學生尼古拉斯·格倫迪什向外界證實了這一消息。

古迪納夫的一生極具傳奇色彩：數(shù)學專業(yè)出身，做了20多年的材料物理研究，54歲改行開始研究鋰電池，并在58歲發(fā)現(xiàn)鈷酸鋰更適合做鋰電池的陰極材料，75歲研發(fā)磷酸鐵鋰，94歲研發(fā)全固態(tài)電池，97歲拿到了至高的科學榮譽——諾貝爾化學獎，并成為史上最高齡的諾貝爾獎獲得者。

古迪納夫曾說：“我想解決汽車的問題。我想讓汽車尾氣從全世界的高速公路上消失。我希望我死之前能看到這一天?！?/p>

54歲半路出家，開始研究鋰電池

古迪納夫在康涅狄格州紐黑文市郊外的一個鄉(xiāng)村長大，他的父親是耶魯大學宗教史學者。

1940年，古迪納夫也進入耶魯大學學習數(shù)學專業(yè)。在上大二那年，二戰(zhàn)爆發(fā)，他本想去參加志愿服務，但數(shù)學教授把古迪納夫找到辦公室，并跟他說道，“不要像其他同學一樣去報海軍陸戰(zhàn)隊，我們需要一些知道數(shù)學知識的人來做氣象預報?！?/p>

于是，1944年從耶魯大學畢業(yè)的古迪納夫，被派去一個海島，擔任氣象學家。兩年后，古迪納夫退伍轉(zhuǎn)業(yè)，選擇到芝加哥大學攻讀物理學專業(yè)。

不過，當時學院的老師一致認為古迪納夫年齡太大，加上是剛剛接觸物理學，以后很難有成就。好在古迪納夫沒有放棄，并且遇到了自己的導師——物理學家齊納。

齊納在30歲時已經(jīng)發(fā)明了齊納二極管，當時是芝加哥大學的凝聚態(tài)材料教授。就這樣，古迪納夫進入了凝聚態(tài)材料科學領域。

1952年，古迪納夫成功獲得固態(tài)物理博士學位，隨后被齊納推薦到麻省理工的林肯實驗室工作，主要進行計算機內(nèi)存的材料物理研究。

這一呆就是24年。在林肯實驗室工作期間，古迪納夫發(fā)現(xiàn)材料中磁體交換規(guī)律，為RAM（隨機存取存儲器）奠定開發(fā)基礎。同時，他也接觸到了能源材料，開始研究鋰離子的移動。

但是，由于最感興趣的項目預算被削減，他不得不選擇離開林肯實驗室。

1976年，54歲的古迪納夫接受了牛津大學的邀請，擔任無機化學實驗室的負責人。也正是在這里，古迪納夫正式開始了鋰電池的研究。

發(fā)現(xiàn)鈷酸鋰，解決鋰電池穩(wěn)定性難題

古迪納夫轉(zhuǎn)行這一年，恰逢學界掀起了一股研究電池的熱潮。而這股熱潮中有一個不得不提的名字：惠廷厄姆，也是后來與古迪納夫共同獲得諾貝爾化學獎的得主之一。

1971年，惠廷厄姆發(fā)表了一篇固態(tài)快離子傳輸?shù)恼撐暮?，不但贏得了電化學學會青年作者獎，還獲得了埃克森石油公司的青睞。

加入?？松?，惠廷厄姆和他的同事開始研究超導材料，其中包括可以嵌入離子的二硫化鈦。

他們發(fā)現(xiàn)，通過在二硫化鈦片之間嵌入不同的原子或分子，可以改變超導轉(zhuǎn)變溫度。鉀化合物顯示出最高的超導性。他意識到這種化合物非常穩(wěn)定，不像鉀金屬，因此反應必須耗費大量能量。這表明這種嵌入反應可能用于電能存儲。

在電池中，放電時電子應從負極（陽極）流向正極（陰極）。因此，負極要是一種容易失電子的材料，而在所有元素中，鋰是最容易失電子的材料。

在有了這個發(fā)現(xiàn)之后，惠廷厄姆前往位于紐約的?？松偛坑懻撛擁椖俊h持續(xù)了大約十五分鐘，管理團隊隨后迅速做出了一個決定：他們將利用惠廷厄姆的發(fā)現(xiàn)開發(fā)可商用的電池。

在1972年年末，?？松揪烷_發(fā)出了鋰離子電池原型“45Ah”，并在次年拿到了專利。但在實際使用中，惠廷厄姆發(fā)現(xiàn)隨著鋰電池被反復充放電，金屬鋰負極上會生長出鋰枝晶。這些鋰枝晶會導致電池短路并引發(fā)火災甚至爆炸。

這一難題并未等太久。

轉(zhuǎn)行后的古迪納夫開始研究金屬氧化物的磁性，并注意到了鈷氧化物的結構與惠廷厄姆小組在其電池陰極中使用的二氧化鈦的結構相似。因此，他推斷鈷材料也可以用作電極的陰極，同時解決二硫化鈦價格昂貴、與空氣接觸后會產(chǎn)生有毒的硫化氫的問題。

1980年，古迪納夫帶領團隊發(fā)現(xiàn)了鋰的金屬氧化物——鈷酸鋰作為鋰電池的陰極是極好的材料。一方面，它依然能夠釋放鋰離子。另一方面，它也更為穩(wěn)定，沒有安全隱患。

但古德納夫在向牛津大學申請專利申報時，卻以應用前景渺茫而被拒絕，最終他不得不以極低的價格將該設計專利轉(zhuǎn)售給英國原子能科學研究中心。

雖然古迪納夫研發(fā)出了合適的陰極材料，但由于陽極材料沒有根本性改善，這項技術回報依舊甚微。

1985年，吉野彰與其同事使用石油焦作為陽極材料，解決了鋰離子電池開發(fā)剩下的難題。

1991 年，索尼公司把古迪納夫的鈷酸鋰陰極和吉野彰開發(fā)的陽極放在一起，制成了世界上第一款商用鋰離子電池，后被廣泛用于手機、電腦等數(shù)碼產(chǎn)品上。

繼續(xù)研發(fā)磷酸鐵鋰電池、全固態(tài)電池，97歲終獲諾獎

然而，鈷酸鋰電池缺點非常多：安全性差、成本高、壽命短。

1986年，古德納夫從牛津大學回到德克薩斯大學任教后，決心繼續(xù)研究，并在1995年成功開發(fā)出磷酸鐵鋰電池。

雖然，當時古迪納夫認為這項技術還需再完善，但得到消息的日本電信公司NTT立馬派出了商業(yè)岡田重人混進古迪納夫的實驗室，竊取了磷酸鐵鋰電池的技術。

等古迪納夫發(fā)現(xiàn)團隊被日本滲透時，急忙讓德州大學在美國代申請了磷酸鐵鋰技術專利。緊接著，他又和法國科學家米歇爾·阿爾芒共同申請了磷酸鐵鋰包碳技術專利。

然而，為時已晚。

沉迷研究無心維權的古迪納夫，直接把專利授權給德州大學，而德州大學又把專利賣給德國南方化工和加拿大的魁北克水電公司。

之后，兩家公司所組成的維權聯(lián)盟便開始了曠日持久的專利爭奪戰(zhàn)。不僅把搞的日本NTT公司告上了法庭，還在全球各地瘋狂搶注專利，四處出擊謀利，賺得盆滿缽滿。

2018年，有媒體問過古迪納夫，有沒有后悔交出專利技術？

他卻表示，“我從來沒想過它會這么值錢，我所想的就是做出一款電池，做出和內(nèi)燃機匹敵的電動汽車?！?br/>

圖片來源：得克薩斯大學奧斯汀分校官網(wǎng)

或許正是這個信念的支撐，讓九十多歲高齡的古迪納夫仍能帶領工程師團隊打造出一個新型的低成本的全固態(tài)電池。

這款新電池能量密度至少是當下鋰離子電池的三倍，且不易燃燒，循環(huán)壽命更長，同時，充電速率也從幾小時大幅縮短到只有幾分鐘。

2017年，一封名為《約翰·古迪納夫應該獲得諾貝爾獎的公開信》（Open Letter：John Goodenough Deserves A Nobel Prize）出現(xiàn)在了 CleanTechnica 網(wǎng)站上，希望諾貝爾委員會能夠授予古迪納夫諾貝爾化學獎。

當時，瑞典皇家科學院并未回應這封公開信。但兩年后，距離第一塊現(xiàn)代鋰電池已經(jīng)過去了30年，古德納夫、惠廷漢姆和吉野彰三位科學巨匠終于因為在鋰電池研發(fā)道路上所做出的貢獻共同獲得了諾貝爾化學獎，而當時的古德納夫已經(jīng)97歲高齡。

這份姍姍來遲的獎項，也成為了這位科學巨匠故事中一個足夠分量的篇章。

（本文首發(fā)鈦媒體App， 作者｜韓敬嫻，編輯｜張敏）

參考資料：

集微網(wǎng) 《「芯歷史」全球鋰電池進化往事：美國“先驅(qū)”，日韓“壯大”，中國“登頂”》

每日人物社 《獲諾獎前，鋰離子電池的成名之路和背后的三十年》

DeepTech深科技 《昔日二戰(zhàn)老兵，54半路出家97歲獲諾獎！他正挑戰(zhàn)新的電動車電池》