手机没“炸”多亏他,半路出家搞物理玩电池,一跃成为锂电之父

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锂电池曾和晶体管一起被视作电子工业中最伟大的发明,而且晶体管的发明人巴丁还摘得了诺贝尔奖。

锂电池虽无荣誉,却也实实在在填充了电子工业中能源的空缺,在当时引起了一大波热潮。

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50年代的广州电池厂

但现在电池技术却成为了科技发展最大的短板,越来越不耐用的手机电量便是最直观的体验。

相比其他技术飞快的成长,锂电池技术始终原地踏步,每次电池效率仅有7%~8%的提升,罕有巨大的突破。

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为了让电池能够应对增长惊人的功耗问题,人们只得另辟蹊径地增大电池体积,提出快充、无线充电等技术。

锂电池的本质却没有发生变化,不尽人意的蓄电量和安全问题仍让科学家们头疼。

不知道多少次,CPU的性能又翻了一番,锂电池却还是那个锂电池。

事实上如果不是“足够好”先生,锂电池连现在这水平也不一定有。

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“足够好”先生原名叫约翰·古迪纳夫,英文名Goodenough正是他被称“足够好”的缘由。

他已经在电化学领域坚持了48年,当他47岁第一次接触电化学时,锂电池仍是易燃易爆炸的代名词。

随后30年的研究生涯,他屡次发现更为合适的锂电池阴极材料,这才让锂电池变得安全而又实用。

如今看见锂电池糟糕的进境,95岁的老爷子不得不再次出山了。

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古迪纳夫(John B.Goodenough)

____________

古迪纳夫在一个富足的家庭成长,但童年生活却极为压抑。

他的父亲是大学历史老师,高学历却不擅于照顾家庭,最终和他的母亲离了婚,娶了自己的研究助手。

糟糕的家庭环境让古迪纳夫极度厌恶,他只想考上一个足够远的大学,逃离家庭。

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古迪纳夫考入了耶鲁大学后,彻底放飞了天性。

他先是学习古典文学,随后又转而攻读哲学,为了凑学分,他还多选修了两门化学课。

后来一位数学教授认为他颇具天赋适合学数学,他被夸得一阵目眩,又转修数学。

最终他取得了数学学士学位,从耶鲁大学毕业。

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1930年代的耶鲁校园

古迪纳夫凭借聪明才智,没有因为频繁更换专业而荒废了学习。

但毕业后,他总是飘忽不定的想法,让他始终找不到合心意的工作。

恰逢此时二战爆发,古迪纳夫便顺势参加了美国空军,随后被派到太平洋一个海岛上收集气象数据。

求职的经历让他发觉自己的问题所在,他开始考虑选择一个方向持之以恒地坚持下去。

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20世纪中期,正是物理学大放异彩的时候,这也深深吸引了古迪纳夫。

从海军退役后,古迪纳夫来到芝加哥大学,决心进修物理。

当时一名教授告诫他,他的年纪太大了,已经过了博取成功的年龄。

这话说得没错,爱因斯坦26岁提出相对论,波尔28岁提出玻尔模型,而此时的古迪纳夫已经30岁。

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幸运的是,此时的古迪纳夫已不再是大学时的自己,他坚定地选择了继续读物理。

读博期间,他的导师是物理界大牛克拉伦斯·齐纳*。

当时,古迪纳夫的研究领域是固体物理,在大牛导师的指导下,他的物理基础格外扎实。

*注:齐纳30岁时发明了二极管,因此享誉业界。

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克拉伦斯·齐纳

毕业之后,古迪纳夫被推荐进入麻省理工学院的林肯实验室工作。

在这里他主要负责固体磁性的相关研究,并发现了材料中磁体交换的规律*。

也是此时,他首次接触到了电池,不过研究的是钠硫电池。

*注:该规律以他和合作伙伴的名字命名为了Goodenough-Kanamori规律,这一项技术最终发展成了电脑内存技术。

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福特的钠硫电池,来自1966年的专利申请

早在1780~1800年,伏打发明了伏打电堆时,电能就被人们重视了起来。

1859年时,汽车还曾用铅酸电池*作为主要能源,随着电子打火装置等一系列发明出现,汽油逐渐占据优势,电能也遭到了淘汰。

但依赖化石燃料作为能源始终让人担心未来,人们总是期盼有一种电池能够替代化石燃料成为主要能源。

因此大量的电池研发项目不断涌现,电池研发成了一种时髦。

*注:铅酸电池是以铅为电极,硫酸作为电解液,与其他电池相较之下能量密度低,也不具备循环寿命。

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电池三要素分别是正极、负极和电解质,想要提高电池的性能必须改善这三者。

当负极发生氧化反应,放出电子,而在正极同时发生还原反应,接收了来自负极的电子,也就产生了电流。

因此如果两个电极能够放出和接收大量的电子时,发电效率将会提高。

又或者可以通过充电补充电池内的电量,需要时再释放出电流,电池的效益也能提高。

当时,几乎所有的电池研究都在冲着这些目标在努力。

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锌铜伽伐尼电池示意图

古迪纳夫研究了钠硫电池之后,开始对能源材料的研究有了兴趣。

恰巧此时美国正受到阿拉伯石油禁运的影响,能源储备问题被不断放大。

明朗的前景更是坚定了古迪纳夫研究电池的想法。

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1976年,古迪纳夫受到了牛津大学邀请,担任无机化学教授一职。

也是同一年,英国化学家Whittingham在电池领域取得了惊人进展。

Whittingham和他的同事发现了锂离子可以在电极间来回穿梭,具备了充电能力,并能在室温下工作。

随后Whittingham成功研制了新型锂电池,轻便和电量足的属性完全碾压了市面上的碳锌电池和镍镉电池。

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古迪纳夫(前排左二)与同事合影,摄于1982年牛津大学

加拿大的Moli Energy公司主动充当了第一个吃螃蟹的公司。

他们大量生产了锂电池,发售全球,瞬时霸占了全球电池市场。

但不到半年,锂电池起火爆炸的新闻不绝于耳,Moli公司只得赶紧召回所有电池。

经历这件事后,Moli公司一蹶不振,被日本NEC公司收购。

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为什么锂电池会有这么严重的安全隐患?

原来锂电池在使用过程中,锂金属表面会逐渐析出锂结晶,结晶呈树枝状或针状,因此也称作锂枝晶。

尖锐的枝晶有可能穿透电池正负极之间的隔膜,造成电池内部短路,引起电池自燃。

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锂枝晶

这个问题引起了古迪纳夫的思考,他在林肯实验室时曾因为实验需要大量研究了金属氧化物材料的性质。

他根据自己掌握的理论,推测氧化物电极或将能够克服这些问题。

说做就做,他和两位博士后助手开始有条不紊地研究金属氧化物结构,不断记录着各项数据。

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持续实验的四年,古迪纳夫和他的团队终于发现了一种名为钴酸锂的材料。

钴酸锂独特的晶体结构,使得钴酸锂较之金属锂更为温和,在枝晶问题上得以改善。

不仅如此,这种氧化物拔高了电池的使用电压,提升了电池储存电量。

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钴酸锂的特殊结构使锂原子流动快速

两年后,古迪纳夫实验室又发现了另一种更为稳定和便宜的材料——锰酸锂。

但可能是Moli公司的前车之鉴,这一次竟没有公司愿意尝试任何新锂电池技术。

直到1991年,索尼公司才与古迪纳夫达成合作,利用自主研发的阳极材料石墨与钴酸锂相结合,研究成了十分理想的可充电锂电池。

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在古迪纳夫当年实验室门外竖起的牌匾,用于纪念钴酸锂的发现

全新的电池一经问世,直接改变了电子产业的格局。

索尼公司将可充电锂电池应用于相机、随身听、CD播放器等轻便电子设备上,顿时风靡全球。

锂电池开始不断投入生产,笔记本电脑、手机也运用起了这些技术,形成了每年数十亿美元的产业。

谁也没想到,古迪纳夫在70岁时迎来了人生的大满贯。

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麻麻哋啦

但古迪纳夫也没有满足于现状,因为他清楚锂电池的安全隐患并非真的消失了。

他和他的实验室仍在不断尝试,1997年时,古迪纳夫将研究的大致方向告诉了助手后便去度假了。

这可是一个美满的假期,当古迪纳夫回到实验室时,助手告诉他发现了又一种适合商业化的锂离子阴极材料——磷酸铁锂。

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一幅显示了Goodenough实验室中发现的晶体结构的图表

谁也没想到锂电池三次改进都出自同一位教授之手,而且会是一位30岁才入行的大龄科学家。

各种奖项不断敲开古迪纳夫的家门:

2009年,他获得了费米奖,以及英国皇家化学学会颁布(以他命名)的“John B.Goodenough奖”。

2013年,他获得奥巴马亲自授予的美国国家科学奖章。

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不过糟心事也不少,几乎每年他都会被提名诺贝尔奖,但每年都会错过。

不过作为诺贝尔奖陪跑者,他却丝毫不觉得失落,他曾说:有些人就像是乌龟,走得慢,也找不着路,但它却能够一直不停地爬下去。

如今古迪纳夫已经95岁,不过他可不打算退休了。

现在的每一天都仍在做实验,今年又投身超级电池的研发之中。

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很多实验室早已开展了超级电池的研究,但一种能量密度高、安全性佳、循环寿命久、无记忆还对环境没有污染的电池哪是那么容易找到的?

古迪纳夫倒是设想了一种全固体电池方案,并且已经有了一些头绪。

据说,古迪纳夫是实在瞧不上现在每年电池提高的那点儿,这才打算自己出手。

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有些人可能觉得创新是年轻人擅长的事情,例如硅谷就有着强烈的年轻崇拜。

老爷子却根本不屑这种思想,他曾说:我只有92岁,我还有许多时间。

*参考资料

《Witness to Grace》(2008), John B.Goodenough的自传.

Steve, LeVine. The man who brought us the lithium-ion battery at the age of 57 has an idea for a new one at 92[OL] . QUARTZ: 2015.2.5 .

《锂电之父Goodenough专访丨要敢于在交流中坦然暴露出自己的无知》,材料人网采访.

黄彦瑜. 锂电池发展简史[J]. 物理, 2007, 36(08).

电池, 维基百科. 2017.9.13 .

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