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电池革命的引导者

假如能活到94岁,你会选择依然坚守在工作岗位上或者继续追求自己的梦想吗?约翰·古迪纳夫就是这样一个人,到今天即使是在九旬的高龄,这位固态物理学家仍然在继续推动着电池行业发展的创新。
也许你没有听过古迪纳夫这个名字,但是你一定用过锂电池。那些我们爱不释手的数码产品——手机、电动工具、手提电脑、平板电脑等无线设备,90%使用的都是用锂电池进行供电的。而古迪纳夫被誉为“锂电池之父”,正是他的杰出贡献才使得锂电池在今天能够得到广泛的应用。
促进便携式电子设备行业发展的锂离子电池.jpg
在逆境中成长起来的全才

虽然古迪纳夫无疑是一位非常杰出的天才,但作为一个患有读写困难症的孩子,青少年时期的他在马萨诸塞州格罗顿中学的学习其实非常艰难。尽管如此,他还是克服了种种困难挑战,获得奖学金,进入耶鲁大学,而后他获得了数学学士学位,以班上最优异的成绩毕业。
不久之后,古迪纳夫参加二战,1946年返回美国,24岁的他选择来到芝加哥大学攻读物理学博士。有位教授警告他,以他现在的年龄怕是难以在一个新的领域上取得建树。古迪纳夫并不理会,师从克拉伦斯·齐纳——齐纳二极管的发明者,顺利博士毕业。
毕业之后,古迪纳夫在麻省理工学院的林肯实验室工作,对计算机内存进行研究。磁芯随机访问内存是由他的团队自主研发的,这是在计算机内存和电子产品中的一个革命性发明。
1969年,古迪纳夫应邀负责福特汽车公司的电池项目,研究过渡金属氧化物。几年之后,他应邀来到英国牛津大学当无机化学教授,并继续研究电池问题。

两次错失专利的发明

说到电池我们都不陌生,它有着200多年的历史。而我们现在日常生活中常说的锂电池其实准确地说应该是锂离子电池。1976年,埃克森美孚发明了世界上第一个锂电池,锂电池质量轻、储能大,在当时是一个很大的突破。但是锂单质的化学性质非常活泼,使得人们在加工、储存和使用方面都要非常小心,所以也极大地限制了锂电池的发展。
1979年,古迪纳夫展示了可以使用钴酸锂作为锂离子可充电电池的正极,既可以避免使用金属锂做电极的危险,又有可能实现比锂电池更高密度的能量存储。该正极材料在1991年由索尼公司商品化,将其应用于生产更轻、更便携的家用电子产品。于是便携式电子设备行业开始出现并快速发展。
不幸的是,牛津大学从未为这个发明申请专利。尽管后来这个正极材料在商业上取得了巨大成功,但古迪纳夫基本没有从中获取什么利益。然而,锂离子电池改变了未来科技的发展。
他仍然继续着他的工作,寻求电池设计上的改进。当他再次回到美国,他在得克萨斯大学的实验室研究团队开发出一个橄榄石晶体结构的磷酸铁锂正极,使得电池在充电时获得更高的效率。
这一次,他的实验室中一个研究员涉嫌将这个成果上报给了日本的雇主,那边随后申请了专利且将此技术进一步发展。而后由此引发了一场横跨了十多年的知识产权大战,最终的结果是,得克萨斯大学获得3000万美元的赔偿和享受红利。但又一次,古迪纳夫没有从他实验室的工作中获得利益。

寻找电池革命性的突破

有意思的是,古迪纳夫的英文名叫“Goodenough”,拆开看就是“足够好”。如果成为世界上应用最广泛的电池正极的发明人之一还不够,那什么样的才叫足够好?在那之后,古迪纳夫已经享受足够的赞誉,但是他觉得还没有做完。
锂离子电池显然还存在着一定的局限性。最大的证据就是让三星、苹果智能手机制造商非常尴尬的接二连三的爆炸事件,一定程度上就是因为如果电池充电太快,将会导致电极形成树突,并穿过液态电解质使两极相互接触,造成可能会引发爆炸和火灾的短路。此外,虽然电力是既高效又清洁的能源,但是如果要将电池应用于电动汽车并进行长途旅行的话,我们需要频繁对其进行充电。目前的电池对电动汽车发展产生的障碍有:电池成本太高、充电所需时间过长、续航能力不足等。
过去20多年里,许多新型电池被开发出来,但没有一个是同时具备足够强力、足够安全和足够便宜等优点,足够取代锂离子电池。这些“革命”电池的想法大多被证明是不切实际的应用。

“超级电池”的迷人前景

可喜的是,古迪纳夫最近提出的新型固态电解质电池非常适用于此,也算是完成他的“超级电池”的承诺。
“超级电池”最大的特点是采用了玻璃作为固态电解质和以碱金属作为负极。选用固态电解质,首先会避免电极树突的形成,提高充电速度(仅需几分钟),且就算是颠簸之下电池也很难短路爆炸;其次,还能允许电池在极端的环境温度下(-20℃到60℃)正常工作,所以即使你驾车到冰天雪地里钓鱼或是穿行于撒哈拉沙漠欣赏骆驼,你的电池和你都会安然无恙;此外,玻璃电解质的应用使得电极材料不局限于锂,还可以将其更换为钠钾等碱金属,能够增加电池的能量密度(是当前锂离子电池的三倍以上)和实现更长的循环寿命(是锂离子电池的两倍),而且这会更加经济环保,因为钠是在海水中大量存在的元素。
“成本、安全、能量密度、充放电速度和循环寿命是电池能否广泛应用于电动汽车的关键。我们相信这个发现解决了现在电池中存在的许多固有问题。”古迪纳夫说。他希望能够与电池制造商一起合作,开发和测试他们的新材料在电动汽车和能源储存设备上的应用。
钴酸锂正极推动了便携式电子设备的发展,而似乎固态电解质电池也将会改写电动汽车的历史,古迪纳夫这一生的工作简直令人难以置信。

仍在等待诺贝尔奖

虽然古迪纳夫已经获得了许许多多的奖项和荣誉,但他仍旧没有获得诺贝尔奖,尽管他的研究彻底改变了一个产业——毕竟,晶体管的发展若没有锂离子电池可能会停滞不前;电动汽车没有固态电池也很可能不会实现大规模的应用。正如我们所知道的那样,电子工业也很可能不会演变成如今的这个样子。有些人就古迪纳夫能否获得诺贝尔奖的问题展开讨论,有可能是他的工作落在了太多的行业分类上,或者是他的发明成果很大程度上已被商业化。
不论如何,他曾获得2009年的恩里科·费米奖——美国能源部门授予在能源生产领域科学家的终身成就奖。他还获得了2013年的美国国家科学奖章,这是由美国总统授予在数学、科学和工程有突出贡献之人的嘉奖。而这仅仅是他这一生中赢得的无数嘉奖中的少数几个而已。
在将近40年的时间里,古迪纳夫在先进电池的领域上一直占据着重要的地位,很多研究电池的同行都很期望看到他的突破。

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