【缅怀】“锂电池之父”去世：54岁改行研究锂电池，97岁获诺贝尔奖

当地时间6月25日，锂离子电池共同发明人、2019年诺贝尔化学奖共同获得者约翰·班尼斯特·古迪纳夫去世，距离他 101 岁生日仅剩一个月。古迪纳夫的学生尼古拉斯·格伦迪什向外界证实了这一消息。古迪纳夫的一生极具传奇色彩：数学专业出身，做了20多年的材料物理研究，54岁改行开始研究锂电池，并在58岁发现钴酸锂更适合做锂电池的阴极材料，75岁研发磷酸铁锂，94岁研发全固态电池，97岁拿到了至高的科学荣誉——诺贝尔化学奖，并成为史上最高龄的诺贝尔奖获得者。古迪纳夫曾说：“我想解决汽车的问题。我想让汽车尾气从全世界的高速公路上消失。我希望我死之前能看到这一天。”54岁半路出家，开始研究锂电池古迪纳夫在康涅狄格州纽黑文市郊外的一个乡村长大，他的父亲是耶鲁大学宗教史学者。1940年，古迪纳夫也进入耶鲁大学学习数学专业。在上大二那年，二战爆发，他本想去参加志愿服务，但数学教授把古迪纳夫找到办公室，并跟他说道，“不要像其他同学一样去报海军陆战队，我们需要一些知道数学知识的人来做战争气象预报。”于是，1944年从耶鲁大学毕业的古迪纳夫，被派去一个海岛，担任气象学家。两年后，古迪纳夫退伍转业，选择到芝加哥大学攻读物理学专业。不过，当时学院的老师一致认为古迪纳夫年龄太大，加上是刚刚接触物理学，以后很难有成就。好在古迪纳夫没有放弃，并且遇到了自己的导师——物理学家齐纳。齐纳在30岁时已经发明了齐纳二极管，当时是芝加哥大学的凝聚态材料教授。就这样，古迪纳夫进入了凝聚态材料科学领域。1952年，古迪纳夫成功获得固态物理博士学位，随后被齐纳推荐到麻省理工的林肯实验室工作，主要进行计算机内存的材料物理研究。这一呆就是24年。在林肯实验室工作期间，古迪纳夫发现材料中磁体交换规律，为RAM（随机存取存储器）奠定开发基础。同时，他也接触到了能源材料，开始研究锂离子的移动。但是，由于最感兴趣的项目预算被削减，他不得不选择离开林肯实验室。1976年，54岁的古迪纳夫接受了牛津大学的邀请，担任无机化学实验室的负责人。也正是在这里，古迪纳夫正式开始了锂电池的研究。发现钴酸锂，解决锂电池稳定性难题古迪纳夫转行这一年，恰逢学界掀起了一股研究电池的热潮。而这股热潮中有一个不得不提的名字：惠廷厄姆，也是后来与古迪纳夫共同获得诺贝尔化学奖的得主之一。1971年，惠廷厄姆发表了一篇固态快离子传输的论文后，不但赢得了电化学学会青年作者奖，还获得了埃克森石油公司的青睐。加入埃克森后，惠廷厄姆和他的同事开始研究超导材料，其中包括可以嵌入离子的二硫化钛。他们发现，通过在二硫化钛片之间嵌入不同的原子或分子，可以改变超导转变温度。钾化合物显示出最高的超导性。他意识到这种化合物非常稳定，不像钾金属，因此反应必须耗费大量能量。这表明这种嵌入反应可能用于电能存储。在电池中，放电时电子应从负极（阳极）流向正极（阴极）。因此，负极要是一种容易失电子的材料，而在所有元素中，锂是最容易失电子的材料。在有了这个发现之后，惠廷厄姆前往位于纽约的埃克森总部讨论该项目。会议持续了大约十五分钟，管理团队随后迅速做出了一个决定：他们将利用惠廷厄姆的发现开发可商用的电池。在1972年年末，埃克森公司就开发出了锂离子电池原型“45Ah”，并在次年拿到了专利。但在实际使用中，惠廷厄姆发现随着锂电池被反复充放电，金属锂负极上会生长出锂枝晶。这些锂枝晶会导致电池短路并引发火灾甚至爆炸。这一难题并未等太久。转行后的古迪纳夫开始研究金属氧化物的磁性，并注意到了钴氧化物的结构与惠廷厄姆小组在其电池阴极中使用的二氧化钛的结构相似。因此，他推断钴材料也可以用作电极的阴极，同时解决二硫化钛价格昂贵、与空气接触后会产生有毒的硫化氢的问题。1980年，古迪纳夫带领团队发现了锂的金属氧化物——钴酸锂作为锂电池的阴极是极好的材料。一方面，它依然能够释放锂离子。另一方面，它也更为稳定，没有安全隐患。但古德纳夫在向牛津大学申请专利申报时，却以应用前景渺茫而被拒绝，最终他不得不以极低的价格将该设计专利转售给英国原子能科学研究中心。虽然古迪纳夫研发出了合适的阴极材料，但由于阳极材料没有根本性改善，这项技术回报依旧甚微。1985年，吉野彰与其同事使用石油焦作为阳极材料，解决了锂离子电池开发剩下的难题。1991 年，索尼公司把古迪纳夫的钴酸锂阴极和吉野彰开发的阳极放在一起，制成了世界上第一款商用锂离子电池，后被广泛用于手机、电脑等数码产品上。继续研发磷酸铁锂电池、全固态电池，97岁终获诺奖然而，钴酸锂电池缺点非常多：安全性差、成本高、寿命短。1986年，古德纳夫从牛津大学回到德克萨斯大学任教后，决心继续研究，并在1995年成功开发出磷酸铁锂电池。虽然，当时古迪纳夫认为这项技术还需再完善，但得到消息的日本电信公司NTT立马派出了商业间谍冈田重人混进古迪纳夫的实验室，窃取了磷酸铁锂电池的技术。等古迪纳夫发现团队被日本间谍渗透时，急忙让德州大学在美国代申请了磷酸铁锂技术专利。紧接着，他又和法国科学家米歇尔·阿尔芒共同申请了磷酸铁锂包碳技术专利。然而，为时已晚。沉迷研究无心维权的古迪纳夫，直接把专利授权给德州大学，而德州大学又把专利卖给德国南方化工和加拿大的魁北克水电公司。之后，两家公司所组成的维权联盟便开始了旷日持久的专利争夺战。不仅把搞间谍的日本NTT公司告上了法庭，还在全球各地疯狂抢注专利，四处出击谋利，赚得盆满钵满。2018年，有媒体问过古迪纳夫，有没有后悔交出专利技术？他却表示，“我从来没想过它会这么值钱，我所想的就是做出一款电池，做出和内燃机匹敌的电动汽车。”
图片来源：得克萨斯大学奥斯汀分校官网或许正是这个信念的支撑，让九十多岁高龄的古迪纳夫仍能带领工程师团队打造出一个新型的低成本的全固态电池。这款新电池能量密度至少是当下锂离子电池的三倍，且不易燃烧，循环寿命更长，同时，充电速率也从几小时大幅缩短到只有几分钟。2017年，一封名为《约翰·古迪纳夫应该获得诺贝尔奖的公开信》（Open Letter：John Goodenough Deserves A Nobel Prize）出现在了 CleanTechnica 网站上，希望诺贝尔委员会能够授予古迪纳夫诺贝尔化学奖。当时，瑞典皇家科学院并未回应这封公开信。但两年后，距离第一块现代锂电池已经过去了30年，古德纳夫、惠廷汉姆和吉野彰三位科学巨匠终于因为在锂电池研发道路上所做出的贡献共同获得了诺贝尔化学奖，而当时的古德纳夫已经97岁高龄。这份姗姗来迟的奖项，也成为了这位科学巨匠故事中一个足够分量的篇章。
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