“鋰電池之父”古迪納夫的傳奇人生

高榮偉

2019年10月9日，瑞典皇家科學(xué)院宣布將2019年諾貝爾化學(xué)獎授予“鋰電池三杰”：斯坦利·惠廷漢姆、約翰·古迪納夫、吉野彰，以表彰他們在鋰電池研究開發(fā)方面的卓越貢獻(xiàn)。評獎委員會稱，他們?yōu)槿祟悗怼扒八匆姷膹?qiáng)大電池”，創(chuàng)造了一個“可充電的世界”。如果沒有他們發(fā)明的鋰電池，“就不會有今天的智能手機(jī)、平板電腦或筆記本電腦”。

三位科學(xué)家當(dāng)中，給人印象尤其深刻的是有“鋰電池之父”之稱的古迪納夫（John B. Goodenough）。這位97歲高齡的科學(xué)家不僅打破了2018年由獲得諾貝爾物理學(xué)獎的阿瑟·阿什金保持的96歲高齡紀(jì)錄，成了諾貝爾獎史上最年長的獲獎?wù)?，而且以其勇立?chuàng)新潮頭、矢志追求卓越的科研人生，為現(xiàn)代鋰電池的橫空出世做出了非凡的貢獻(xiàn)。

而立之年還在“掙扎”

古迪納夫，1922 年 7 月 25 日出生于美國，在家排行老二，他上邊有一個哥哥，父親歐文是耶魯教授。

有人說，天才的童年要么有一個哥哥，要么有一條狗相伴。古迪納夫也不例外。童年的時候，因為父母常鬧離婚，再加上年長的哥哥忙于自己的事業(yè)，古迪納夫常常離群索居，他唯一的玩伴就是Mack。Mack是一條小狗。

兒時的古迪納夫，學(xué)業(yè)并不順利。小古迪納夫患有先天性讀寫困難癥，他的學(xué)習(xí)成績總是差強(qiáng)人意。他喜歡在大自然中游蕩，探索樹林里的奧秘，抓蝴蝶和土撥鼠。正是與大自然親密接觸的過程培養(yǎng)了他熱愛自然，渴望探索自然，發(fā)現(xiàn)其中奧秘的情懷。

古迪納夫在其自傳里這樣說，“一個人想要有所成就，就要忍受孤獨。唯有在孤獨中，人的靈魂，才能與上帝、與神秘、與宇宙的無限之謎相遇?！闭缤袪査固┧f，在社會交往中，人面對的是部分和人群，而在獨處時，人面對的是整體和萬物之源。

有一次，古迪納夫在一片曠野里行走，捉住一只臭鼬。他扒了一張臭鼬的皮，感覺非常地好玩，但拿回家后挨了媽媽一頓臭罵，晚上的時候還被媽媽禁止進(jìn)屋吃飯。寒風(fēng)中，委屈的古迪納夫站在門外瑟瑟發(fā)抖，但媽媽似乎絲毫都不可憐他。缺少母愛的古迪納夫決心在學(xué)業(yè)上有所作為，他開始讀書了，而且近乎瘋狂。

高考前夕，古迪納夫的父母離婚了，老爸娶了自己的研究助手，這對正忙于高考的古迪納夫產(chǎn)生了不小的心理影響。畢竟，以前的他好壞還有一個“家”，而如今正在“沖刺”的他只有孤燈陪伴，對著厚厚的一摞書本，他只有咬牙堅持了。

出人意料的是，古迪納夫居然克服了種種障礙，一舉考入了耶魯大學(xué)。收到耶魯大學(xué)通知書的時候，他父親給了他35美元，對他說：“小子，拿去吧，你可以去上大學(xué)了?！迸R走，甩給他一句話：“不夠的部分，自己想辦法?！?/p>

那時，耶魯大學(xué)每年的學(xué)費大概是900美元。古迪納夫只好利用暑假給人洗車和送報紙掙錢，還好，在開學(xué)前夕，古迪納夫掙到了足夠的學(xué)費。為了維持生計，在耶魯期間古迪納夫每周工作21小時，有時還去給富人家的兒子們補(bǔ)習(xí)功課，再加上獎學(xué)金，這讓古迪納夫有了足夠的錢來支付學(xué)費，養(yǎng)活自己。

在耶魯大學(xué)，古迪納夫先是學(xué)習(xí)古典文學(xué)，之后轉(zhuǎn)到了哲學(xué)。大一的時候為了湊學(xué)分，古迪納夫選修了兩門化學(xué)課。后來，古迪納夫碰到的一個數(shù)學(xué)教授，看他天賦異稟，就鼓勵他學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)。他聽從了建議。耶魯畢業(yè)的時候，古迪納夫取得了數(shù)學(xué)學(xué)士學(xué)位。

短短4年間，古迪納夫換了四五個專業(yè)方向，這讓他在每一個專業(yè)學(xué)習(xí)上都不夠深入。不過，也許正是這一“豐富”的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，對他日后的科研生涯做好了鋪墊。

“二戰(zhàn)”爆發(fā)后，古迪納夫加入了美國空軍，他被派到太平洋的一個海島上收集氣象數(shù)據(jù)。他的職責(zé)是提供戰(zhàn)時戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)穿越大西洋所需的氣象預(yù)報。服兵役期間，古迪納夫讀了Whitehead 著的《Science and the Modern World》（《科學(xué)與現(xiàn)代世界》），這本書一直激勵著他不放棄物理夢想。

戰(zhàn)后，古迪納夫所在的部隊駐扎在葡萄牙，這個時候他已經(jīng)是一名陸軍上尉。他回憶說：“不久，幸運之神來敲門了，一份電報過來，要求我48小時之內(nèi)回到華盛頓報到?！痹瓉恚幸还P沒花完的錢，要用來送21名軍人去念研究生?！奥牭竭@一消息，我簡直有點欣喜如狂?！本瓦@樣，時年23歲的古迪納夫帶著未竟的物理夢想進(jìn)入了芝加哥大學(xué)。

報到的那一天，一位面試官很是瞧不上這個吹了4年海風(fēng)的大齡青年。面試官嘲笑道：“我不明白你這個老兵來干嘛！在你這個年紀(jì)，科學(xué)家早已經(jīng)做出他們最大的成就了?！闭f的也是，那個年代風(fēng)靡全球的學(xué)界領(lǐng)袖們，在古迪納夫這個年齡，早已經(jīng)碩果累累，功成名就了。愛因斯坦26歲提出相對論，愛迪生32歲點亮了白熾燈，居里夫人36歲時已經(jīng)拿到了諾貝爾獎。“屈指算來，7年后，當(dāng)我拿到博士文憑的時候，已經(jīng)是而立之年了。”

執(zhí)拗的古迪納夫沒有動搖自己的決心。古迪納夫說：“我們有些人——比如我，就像是一只烏龜，走得慢，一路掙扎，到了而立之年還找不到出路。但烏龜知道，它必須走下去?！?/p>

在芝加哥大學(xué)，古迪納夫主攻固體物理，和楊振寧先生做了同學(xué)。此時的芝加哥大學(xué)，物理系人才濟(jì)濟(jì)，大師云集，包括譽(yù)滿全球的費米和泰勒教授，而泰勒正是楊振寧的導(dǎo)師。古迪納夫也很幸運，他的導(dǎo)師是大名鼎鼎的物理學(xué)家克拉倫斯·梅爾文·齊納（Clarence Zener）。順便一提，齊納在30歲時已經(jīng)發(fā)明了著名的“齊納二極管”，享譽(yù)學(xué)界，他也是諾貝爾獎的獲得者。師從齊納，這對古迪納夫未來鉆研動力電池材料研究，發(fā)明新型鋰電池產(chǎn)生了重要的影響。

古迪納夫獲得固態(tài)物理博士學(xué)位后，被推薦去了麻省理工的林肯實驗室，進(jìn)行關(guān)于內(nèi)存的材料物理研究。在這里，他對隨機(jī)存取存儲器的發(fā)展做了貢獻(xiàn)，這個技術(shù)就是后來的電腦內(nèi)存。值得一提的是，在此期間，他第一次接觸到了電池，不過當(dāng)時他研究的還是鈉硫電池。

便攜式新能源時代的推動者

1976年，牛津大學(xué)化學(xué)系的崗位出現(xiàn)了一個空缺，憑借在麻省理工林肯實驗室的出色工作，古迪納夫輕松獲取了這個職位。這年，他54歲。

在牛津大學(xué)，古迪納夫以治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)而名聲在外。他教的一門物理課第一堂來了165個學(xué)生，教室里學(xué)生擠得水泄不通。等到第二堂的時候，只來了8個學(xué)生——學(xué)生們都被他給嚇跑了。但古迪納夫不為所動：“學(xué)習(xí)需要刻苦，懶惰懈怠者，請自便?！彼€告訴他的學(xué)生：“懶惰、懈怠和愚昧是影響人生的三種邪念”，“請遠(yuǎn)離低質(zhì)量的勤奮，因為那比懶惰更可怕?！?/p>

初到英國，古迪納夫努力適應(yīng)著倫敦陰郁的天氣和清淡的飯菜，無論如何，他也沒有想到，這里將會是他人生的一個重要轉(zhuǎn)折點——在這里，他的目光轉(zhuǎn)向了電池。

1970年代后期，有一種電池因為使用金屬鋰作為電極，而被稱為鋰電池。它的發(fā)明人叫斯坦利·惠廷漢姆。惠廷漢姆采用硫化鈦作為正極材料，金屬鋰作為負(fù)極材料，制造了首個小型化鋰電池，電流為2v。同樣質(zhì)量下，鋰電池能比其他電池儲存更多的電能，因此很受市場青睞，比如當(dāng)時“大哥大”手機(jī)使用的就是這種鋰電池。

惠廷漢姆邁出了可貴的第一步。不過，惠廷漢姆的鋰電池用金屬鋰作為電極材料，在使用過程中存在嚴(yán)重的安全隱患。據(jù)了解，金屬鋰是世間最活潑的元素之一，甚至與氮氣都能發(fā)生反應(yīng)，生產(chǎn)組裝過程中稍有不慎，泄進(jìn)了空氣，輕則電池報廢，重則起火燃燒，因此無法投入規(guī)模生產(chǎn)。在北美問世還不到半年，這種鋰電池就因為多起起火爆炸事故而被召回。

然而，便攜式鋰電池誘人的前景，吸引著無數(shù)的化學(xué)家投入到鋰電池的研究中。此時，古迪納夫遠(yuǎn)在牛津，雖然只學(xué)過兩門化學(xué)課，但憑著過硬的固體物理功底，研究起一種神奇的材料——鈷酸鋰。

鈷酸鋰的內(nèi)部是一種晶體結(jié)構(gòu)，如果把鈷酸鋰想象成一個漢堡包，鈷-氧構(gòu)成了兩片面包，那么，鋰原子就是中間的牛排，能被很輕松地抽出。正因如此，這種鈷酸鋰可以取代金屬鋰，作為電池中鋰離子的提供者。而且，這種氧化物可以拔高電池的使用電壓，從而提升電池儲存的電量。更為重要的是，鈷酸鋰對空氣等不敏感，“相較發(fā)瘋的公牛金屬鋰，鈷酸鋰乖巧得如同得到了棒棒糖的小孩”。

1980年，古迪納夫嘗試用鈷酸鋰與石墨組成新的鋰電池。古迪納夫的新電池?fù)碛懈〉捏w積，更大的容量和更加穩(wěn)定的使用方式，因此頗受市場歡迎。古迪納夫研制鈷酸鋰來取代金屬鋰，既解決了電池的安全性問題，又降低了電池的制造成本，實現(xiàn)了鋰離子電池技術(shù)的革命性突破。

媒體報道，索尼公司利用古迪納夫的理論在1991年制作出了世界上第一款全新的可充電商用鋰電池。這種鋰離子電池一經(jīng)問世迅速在全球推廣。

“古迪納夫的鈷酸鋰簡直如同一道光，照亮了索尼的前程，幫助索尼一躍成為行業(yè)老大?！睆拇耍謾C(jī)、照相機(jī)、手持?jǐn)z像機(jī)乃至電動汽車等領(lǐng)域各自步入了便攜式新能源時代。

“沒有鈷酸鋰，我們的手機(jī)只能停留在大哥大那個板磚與手機(jī)齊飛的年代?！庇忻襟w如是評論。鈷酸鋰使得古迪納夫一躍成為炙手可熱的化學(xué)家。

1986年，古迪納夫回到了祖國，進(jìn)入德克薩斯州大學(xué)奧斯丁分校。當(dāng)大家都以為這個教授準(zhǔn)備在德州安心養(yǎng)老時，誰都沒有料到，他已經(jīng)將目光轉(zhuǎn)向了另一個材料。

新電池中，鈷酸鋰雖然儲能性、安全性都不錯，但是遠(yuǎn)稱不上完美。在長時間使用后，鈷酸鋰的層狀結(jié)構(gòu)極易崩塌，這就好比，“把漢堡中間的牛排抽出來，兩層面包片自然要塌到一起”一樣，一旦崩塌，新電池將無法再進(jìn)行鋰離子的存儲，由此造成電池整體的性能衰減。

古迪納夫意識到了這一缺陷。新電池遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足動力電池時代電動汽車儲能對鋰離子電池原材料的需求。于是，64歲的他又踏上了新的征程。

新鋰電池足夠好了嗎

10年后，古迪納夫又一次讓世界震動了。

1997年，他拿出的材料叫做磷酸鐵鋰。此時的鋰離子電池，早已成為各大電子消費品的主要組成，甚至連電動車也被囊括進(jìn)了它的“版圖”。這年他75歲。古迪納夫發(fā)現(xiàn)的磷酸鐵鋰這樣一種新型材料，不僅更為便宜，而且更安全，構(gòu)成了現(xiàn)代電動汽車時代非常重要的基礎(chǔ)。隨著電氣化革命的到來，動力電池當(dāng)仁不讓成為其中的代表，走入了電動汽車、儲能、電子設(shè)備等各行各業(yè)。

“先有鈷酸鋰，后又有磷酸鐵鋰，古迪納夫‘鋰離子電池之父的稱號當(dāng)之無愧?！薄度A爾街日報》發(fā)表評論指出。直到現(xiàn)在，我們每天都離不開的手機(jī)，電腦中的鋰電池的正極材料仍然使用的是古迪納夫1980年左右發(fā)現(xiàn)的鈷酸鋰?！敖裉欤嗵澚诉@位著名的化學(xué)家，我們才能每天舒舒服服在地鐵、公交車，在公園里玩手機(jī)?！?/p>

古迪納夫沒有到此止步，他又毅然投入到全新的電池研究中?！笆澜缧枰粋€新型超級電池，或者說，我們必須為環(huán)境問題和能源問題而做出改變?！彼X海中下一個可能改變世界的創(chuàng)新，是全固態(tài)電池。當(dāng)做出這個決定時，他90歲。

這個理念一直在古迪納夫的腦海中盤旋。直到3年前，他偶然發(fā)現(xiàn)了一份來自葡萄牙的研究成果。這項研究宣稱制造了一種玻璃，具有良好的鋰離子傳導(dǎo)能力，并且穩(wěn)定性極好。古迪納夫認(rèn)為這種玻璃是上帝賜予他的一個禮物：“就在我尋找著什么的時候，它就走了進(jìn)來。那是多么美妙的一種感覺?。　?/p>

于是，他立即說服這位名叫布拉加的物理學(xué)家搬到奧斯汀，并立即將這種玻璃引入到全固態(tài)電池的研發(fā)中。很快，古迪納夫的全固態(tài)電池誕生了……

古迪納夫一直在研制鋰電池之路上頑強(qiáng)地攀登。他的步伐沉穩(wěn)、堅實而有力。與此同時，各種頭銜與贊美接踵而至。如今，古迪納夫幾乎得到了一個科學(xué)家能得到的所有榮譽(yù)：古迪納夫是美國國家工程院、美國國家科學(xué)院、法國科學(xué)院和西班牙皇家學(xué)會的院士成員；古迪納夫還是 2009 年恩里科·費米獎（Enrico Fermi Award）的共同獲得者；2013 年，古迪納夫獲得美國國家科學(xué)獎?wù)隆?/p>

如今，人類已經(jīng)須臾不能離開鋰電池。鋰電池作為最主要的可充電、便攜式能量源，影響著我們生活的方方面面。鋰電池和晶體管一起被視作電子工業(yè)中最偉大的發(fā)明，鋰電池產(chǎn)業(yè)已經(jīng)接近年產(chǎn)幾十億美元，為人類的日?；顒犹峁┲丛床粩嗟膭恿Α?/p>

鋰電池——good enough（足夠好）了嗎？古迪納夫不這么認(rèn)為，剛剛奪得諾獎的古迪納夫依然在科研道路上堅持不懈地探索著。在他看來，進(jìn)行鋰電池研究就是他最大的快樂。

他說：“我的下一個目標(biāo)是一種真正能讓電動汽車和內(nèi)燃機(jī)汽車匹敵的超級電池?！蹦杲贇q的古迪納夫雄心勃勃：“我希望這種電池可以經(jīng)濟(jì)地存儲風(fēng)能和太陽能?！彼f，“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。我希望死前能看到這一天。我今年 97歲，還有時間。”

實際上，古迪納夫從來就沒覺得自己——good enough了，每一天，他都在進(jìn)行著他的研究——收集線索，完善資料，繼續(xù)向前。他常常重復(fù)“爬行烏龜”的比喻：“是的，這種貫穿一生的爬行，總會帶來預(yù)料不到的好處，尤其是在你不斷穿越，一路收集各種線索的情況下?！?p>