電池革命的引導(dǎo)者

云望舒

假如能活到94歲，你會選擇依然堅(jiān)守在工作崗位上或者繼續(xù)追求自己的夢想嗎？約翰·古迪納夫就是這樣一個人，到今天即使是在九旬的高齡，這位固態(tài)物理學(xué)家仍然在繼續(xù)推動著電池行業(yè)發(fā)展的創(chuàng)新。

也許你沒有聽過古迪納夫這個名字，但是你一定用過鋰電池。那些我們愛不釋手的數(shù)碼產(chǎn)品——手機(jī)、電動工具、手提電腦、平板電腦等無線設(shè)備，90%使用的都是用鋰電池進(jìn)行供電的。而古迪納夫被譽(yù)為“鋰電池之父”，正是他的杰出貢獻(xiàn)才使得鋰電池在今天能夠得到廣泛的應(yīng)用。

在逆境中成長起來的全才

雖然古迪納夫無疑是一位非常杰出的天才，但作為一個患有讀寫困難癥的孩子，青少年時期的他在馬薩諸塞州格羅頓中學(xué)的學(xué)習(xí)其實(shí)非常艱難。盡管如此，他還是克服了種種困難挑戰(zhàn)，獲得獎學(xué)金，進(jìn)入耶魯大學(xué)，而后他獲得了數(shù)學(xué)學(xué)士學(xué)位，以班上最優(yōu)異的成績畢業(yè)。

不久之后，古迪納夫參加二戰(zhàn)，1946年返回美國，24歲的他選擇來到芝加哥大學(xué)攻讀物理學(xué)博士。有位教授警告他，以他現(xiàn)在的年齡怕是難以在一個新的領(lǐng)域上取得建樹。古迪納夫并不理會，師從克拉倫斯·齊納——齊納二極管的發(fā)明者，順利博士畢業(yè)。

畢業(yè)之后，古迪納夫在麻省理工學(xué)院的林肯實(shí)驗(yàn)室工作，對計(jì)算機(jī)內(nèi)存進(jìn)行研究。磁芯隨機(jī)訪問內(nèi)存是由他的團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的，這是在計(jì)算機(jī)內(nèi)存和電子產(chǎn)品中的一個革命性發(fā)明。

1969年，古迪納夫應(yīng)邀負(fù)責(zé)福特汽車公司的電池項(xiàng)目，研究過渡金屬氧化物。幾年之后，他應(yīng)邀來到英國牛津大學(xué)當(dāng)無機(jī)化學(xué)教授，并繼續(xù)研究電池問題。

兩次錯失專利的發(fā)明

說到電池我們都不陌生，它有著200多年的歷史。而我們現(xiàn)在日常生活中常說的鋰電池其實(shí)準(zhǔn)確地說應(yīng)該是鋰離子電池。1976年，埃克森美孚發(fā)明了世界上第一個鋰電池，鋰電池質(zhì)量輕、儲能大，在當(dāng)時是一個很大的突破。但是鋰單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)非常活潑，使得人們在加工、儲存和使用方面都要非常小心，所以也極大地限制了鋰電池的發(fā)展。

1979年，古迪納夫展示了可以使用鈷酸鋰作為鋰離子可充電電池的正極，既可以避免使用金屬鋰做電極的危險，又有可能實(shí)現(xiàn)比鋰電池更高密度的能量存儲。該正極材料在1991年由索尼公司商品化，將其應(yīng)用于生產(chǎn)更輕、更便攜的家用電子產(chǎn)品。于是便攜式電子設(shè)備行業(yè)開始出現(xiàn)并快速發(fā)展。

不幸的是，牛津大學(xué)從未為這個發(fā)明申請專利。盡管后來這個正極材料在商業(yè)上取得了巨大成功，但古迪納夫基本沒有從中獲取什么利益。然而，鋰離子電池改變了未來科技的發(fā)展。

他仍然繼續(xù)著他的工作，尋求電池設(shè)計(jì)上的改進(jìn)。當(dāng)他再次回到美國，他在得克薩斯大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一個橄欖石晶體結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰正極，使得電池在充電時獲得更高的效率。

這一次，他的實(shí)驗(yàn)室中一個研究員涉嫌將這個成果上報給了日本的雇主，那邊隨后申請了專利且將此技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。而后由此引發(fā)了一場橫跨了十多年的知識產(chǎn)權(quán)大戰(zhàn)，最終的結(jié)果是，得克薩斯大學(xué)獲得3000萬美元的賠償和享受紅利。但又一次，古迪納夫沒有從他實(shí)驗(yàn)室的工作中獲得利益。

尋找電池革命性的突破

有意思的是，古迪納夫的英文名叫“Goodenough”，拆開看就是“足夠好”。如果成為世界上應(yīng)用最廣泛的電池正極的發(fā)明人之一還不夠，那什么樣的才叫足夠好？在那之后，古迪納夫已經(jīng)享受足夠的贊譽(yù)，但是他覺得還沒有做完。

鋰離子電池顯然還存在著一定的局限性。最大的證據(jù)就是讓三星、蘋果智能手機(jī)制造商非常尷尬的接二連三的爆炸事件，一定程度上就是因?yàn)槿绻姵爻潆娞欤瑢?dǎo)致電極形成樹突，并穿過液態(tài)電解質(zhì)使兩極相互接觸，造成可能會引發(fā)爆炸和火災(zāi)的短路。此外，雖然電力是既高效又清潔的能源，但是如果要將電池應(yīng)用于電動汽車并進(jìn)行長途旅行的話，我們需要頻繁對其進(jìn)行充電。目前的電池對電動汽車發(fā)展產(chǎn)生的障礙有：電池成本太高、充電所需時間過長、續(xù)航能力不足等。

過去20多年里，許多新型電池被開發(fā)出來，但沒有一個是同時具備足夠強(qiáng)力、足夠安全和足夠便宜等優(yōu)點(diǎn)，足夠取代鋰離子電池。這些“革命”電池的想法大多被證明是不切實(shí)際的應(yīng)用。

“超級電池”的迷人前景

可喜的是，古迪納夫最近提出的新型固態(tài)電解質(zhì)電池非常適用于此，也算是完成他的“超級電池”的承諾。

“超級電池”最大的特點(diǎn)是采用了玻璃作為固態(tài)電解質(zhì)和以堿金屬作為負(fù)極。選用固態(tài)電解質(zhì)，首先會避免電極樹突的形成，提高充電速度（僅需幾分鐘），且就算是顛簸之下電池也很難短路爆炸；其次，還能允許電池在極端的環(huán)境溫度下（-20℃到60℃）正常工作，所以即使你駕車到冰天雪地里釣魚或是穿行于撒哈拉沙漠欣賞駱駝，你的電池和你都會安然無恙；此外，玻璃電解質(zhì)的應(yīng)用使得電極材料不局限于鋰，還可以將其更換為鈉鉀等堿金屬，能夠增加電池的能量密度（是當(dāng)前鋰離子電池的三倍以上）和實(shí)現(xiàn)更長的循環(huán)壽命（是鋰離子電池的兩倍），而且這會更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保，因?yàn)殁c是在海水中大量存在的元素。

“成本、安全、能量密度、充放電速度和循環(huán)壽命是電池能否廣泛應(yīng)用于電動汽車的關(guān)鍵。我們相信這個發(fā)現(xiàn)解決了現(xiàn)在電池中存在的許多固有問題?！惫诺霞{夫說。他希望能夠與電池制造商一起合作，開發(fā)和測試他們的新材料在電動汽車和能源儲存設(shè)備上的應(yīng)用。

鈷酸鋰正極推動了便攜式電子設(shè)備的發(fā)展，而似乎固態(tài)電解質(zhì)電池也將會改寫電動汽車的歷史，古迪納夫這一生的工作簡直令人難以置信。

仍在等待諾貝爾獎

雖然古迪納夫已經(jīng)獲得了許許多多的獎項(xiàng)和榮譽(yù)，但他仍舊沒有獲得諾貝爾獎，盡管他的研究徹底改變了一個產(chǎn)業(yè)——畢竟，晶體管的發(fā)展若沒有鋰離子電池可能會停滯不前；電動汽車沒有固態(tài)電池也很可能不會實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用。正如我們所知道的那樣，電子工業(yè)也很可能不會演變成如今的這個樣子。有些人就古迪納夫能否獲得諾貝爾獎的問題展開討論，有可能是他的工作落在了太多的行業(yè)分類上，或者是他的發(fā)明成果很大程度上已被商業(yè)化。

不論如何，他曾獲得2009年的恩里科·費(fèi)米獎——美國能源部門授予在能源生產(chǎn)領(lǐng)域科學(xué)家的終身成就獎。他還獲得了2013年的美國國家科學(xué)獎?wù)?，這是由美國總統(tǒng)授予在數(shù)學(xué)、科學(xué)和工程有突出貢獻(xiàn)之人的嘉獎。而這僅僅是他這一生中贏得的無數(shù)嘉獎中的少數(shù)幾個而已。

在將近40年的時間里，古迪納夫在先進(jìn)電池的領(lǐng)域上一直占據(jù)著重要的地位，很多研究電池的同行都很期望看到他的突破。