圖片來源：德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校官網(wǎng)

(資料圖片)

當(dāng)?shù)貢r(shí)間6月25日，鋰離子電池共同發(fā)明人、2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)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(gè)月。古迪納夫的學(xué)生尼古拉斯·格倫迪什向外界證實(shí)了這一消息。

古迪納夫的一生極具傳奇色彩：數(shù)學(xué)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(xué)榮譽(yù)——諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，并成為史上最高齡的諾貝爾獎(jiǎng)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(gè)鄉(xiāng)村長(zhǎng)大，他的父親是耶魯大學(xué)宗教史學(xué)者。

1940年，古迪納夫也進(jìn)入耶魯大學(xué)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)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(wù)，但數(shù)學(xué)教授把古迪納夫找到辦公室，并跟他說道，“不要像其他同學(xué)一樣去報(bào)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)，我們需要一些知道數(shù)學(xué)知識(shí)的人來做戰(zhàn)爭(zhēng)氣象預(yù)報(bào)。”

于是，1944年從耶魯大學(xué)畢業(yè)的古迪納夫，被派去一個(gè)海島，擔(dān)任氣象學(xué)家。兩年后，古迪納夫退伍轉(zhuǎn)業(yè)，選擇到芝加哥大學(xué)攻讀物理學(xué)專業(yè)。

不過，當(dāng)時(shí)學(xué)院的老師一致認(rèn)為古迪納夫年齡太大，加上是剛剛接觸物理學(xué)，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(dǎo)師——物理學(xué)家齊納。

齊納在30歲時(shí)已經(jīng)發(fā)明了齊納二極管，當(dāng)時(shí)是芝加哥大學(xué)的凝聚態(tài)材料教授。就這樣，古迪納夫進(jìn)入了凝聚態(tài)材料科學(xué)領(lǐng)域。

1952年，古迪納夫成功獲得固態(tài)物理博士學(xué)位，隨后被齊納推薦到麻省理工的林肯實(shí)驗(yàn)室工作，主要進(jìn)行計(jì)算機(jī)內(nèi)存的材料物理研究。

這一呆就是24年。在林肯實(shí)驗(yàn)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(jī)存取存儲(chǔ)器）奠定開發(fā)基礎(chǔ)。同時(shí)，他也接觸到了能源材料，開始研究鋰離子的移動(dòng)。

但是，由于最感興趣的項(xiàng)目預(yù)算被削減，他不得不選擇離開林肯實(shí)驗(yàn)室。

1976年，54歲的古迪納夫接受了牛津大學(xué)的邀請(qǐng)，擔(dān)任無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)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(xué)界掀起了一股研究電池的熱潮。而這股熱潮中有一個(gè)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(xué)獎(jiǎng)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(xué)學(xué)會(huì)青年作者獎(jiǎng)，還獲得了埃克森石油公司的青睞。

加入?？松螅萃⒍蚰泛退耐麻_始研究超導(dǎo)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(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。鉀化合物顯示出最高的超導(dǎo)性。他意識(shí)到這種化合物非常穩(wěn)定，不像鉀金屬，因此反應(yīng)必須耗費(fèi)大量能量。這表明這種嵌入反應(yīng)可能用于電能存儲(chǔ)。

在電池中，放電時(shí)電子應(yīng)從負(fù)極（陽極）流向正極（陰極）。因此，負(fù)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(gè)發(fā)現(xiàn)之后，惠廷厄姆前往位于紐約的?？松偛坑懻撛擁?xiàng)目。會(huì)議持續(xù)了大約十五分鐘，管理團(tuán)隊(duì)隨后迅速做出了一個(gè)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(shí)際使用中，惠廷厄姆發(fā)現(xiàn)隨著鋰電池被反復(fù)充放電，金屬鋰負(fù)極上會(huì)生長(zhǎng)出鋰枝晶。這些鋰枝晶會(huì)導(dǎo)致電池短路并引發(fā)火災(zāi)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(jié)構(gòu)與惠廷厄姆小組在其電池陰極中使用的二氧化鈦的結(jié)構(gòu)相似。因此，他推斷鈷材料也可以用作電極的陰極，同時(shí)解決二硫化鈦價(jià)格昂貴、與空氣接觸后會(huì)產(chǎn)生有毒的硫化氫的問題。

1980年，古迪納夫帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)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(xué)申請(qǐng)專利申報(bào)時(shí)，卻以應(yīng)用前景渺茫而被拒絕，最終他不得不以極低的價(jià)格將該設(shè)計(jì)專利轉(zhuǎn)售給英國原子能科學(xué)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(xiàng)技術(shù)回報(bào)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(jī)、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(jiǎng)

然而，鈷酸鋰電池缺點(diǎn)非常多：安全性差、成本高、壽命短。

1986年，古德納夫從牛津大學(xué)回到德克薩斯大學(xué)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(dāng)時(shí)古迪納夫認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)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)間諜岡田重人混進(jìn)古迪納夫的實(shí)驗(yàn)室，竊取了磷酸鐵鋰電池的技術(shù)。

等古迪納夫發(fā)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)被日本間諜滲透時(shí)，急忙讓德州大學(xué)在美國代申請(qǐng)了磷酸鐵鋰技術(shù)專利。緊接著，他又和法國科學(xué)家米歇爾·阿爾芒共同申請(qǐng)了磷酸鐵鋰包碳技術(shù)專利。

然而，為時(shí)已晚。

沉迷研究無心維權(quán)的古迪納夫，直接把專利授權(quán)給德州大學(xué)，而德州大學(xué)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(quán)聯(lián)盟便開始了曠日持久的專利爭(zhēng)奪戰(zhàn)。不僅把搞間諜的日本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(shù)？

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

圖片來源：得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校官網(wǎng)

或許正是這個(gè)信念的支撐，讓九十多歲高齡的古迪納夫仍能帶領(lǐng)工程師團(tuán)隊(duì)打造出一個(gè)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(dāng)下鋰離子電池的三倍，且不易燃燒，循環(huán)壽命更長(zhǎng)，同時(shí)，充電速率也從幾小時(shí)大幅縮短到只有幾分鐘。

2017年，一封名為《約翰·古迪納夫應(yīng)該獲得諾貝爾獎(jiǎng)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(huì)能夠授予古迪納夫諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

當(dāng)時(shí)，瑞典皇家科學(xué)院并未回應(yīng)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(xué)巨匠終于因?yàn)樵阡囯姵匮邪l(fā)道路上所做出的貢獻(xiàn)共同獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，而當(dāng)時(shí)的古德納夫已經(jīng)97歲高齡。

這份姍姍來遲的獎(jiǎng)項(xiàng)，也成為了這位科學(xué)巨匠故事中一個(gè)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(jìn)化往事：美國“先驅(qū)”，日韓“壯大”，中國“登頂”》

每日人物社 《獲諾獎(jiǎng)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(jiǎng)！他正挑戰(zhàn)新的電動(dòng)車電池》

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