文/Steve LeVine

10月9日北京時間17點45分許，2019年諾貝爾化學獎揭曉，美國化學家斯坦利·惠廷厄姆（Stanley Whittingham）、約翰·古德伊納夫（John Goodenough）以及日本化學家吉野彰（Akira Yoshino）因在鋰離子電池領域的突出貢獻，摘得本年度的獎項。

上世紀70 年代，供職于美國?？松凸镜乃固估せ萃⒍蚰钒l(fā)明了鋰電池。他采用硫化鈦作為正極材料，金屬鋰作為負極材料，制成首個鋰離子電池。古德伊納夫則是可充電鋰離子電池的發(fā)明者，并且領導了項目組發(fā)明了可以量產的鋰離子電池和磷酸鐵鋰電池技術。他引領的項目組和SONY 公司合作開發(fā)出了基于碳材料正極和鋰鈷氧LiCoO2 材料負極的可充電離子電池，也就是目前廣泛采用的鋰離子電池技術。

1983 年，吉野彰（Akira Yoshino）提出了我們今天所知的鋰離子電池專利申請，采用了原始概念并將其變得為安全，高效和可靠。他用一種叫做聚乙炔的安全導電塑料代替了陽極上不穩(wěn)定的鋰金屬。他還在反應層之間引入了一種基于聚乙烯的熱敏膜。當電池過熱時，薄膜會融化并起保險絲的作用，以阻止整個結構著火。這是第一個進入市場和消費用的鋰離子電池設計。

在惠廷厄姆、古德伊納夫、吉野彰等人的研究工作的推動下，商業(yè)化的鋰電池在20 世紀90 年代在日本推出。隨著幾十年的發(fā)展，鋰離子電池已經應用在了地球上幾乎每一個便攜式電子設備上。

約翰·古德伊納夫（John Goodenough）生于1922 年，是美國固體物理學家，美國國家工程學院、美國國家科學院院士。古德伊納夫在1951 年和1952 年分別在芝加哥大學的物理學獲得碩士和博士學位，畢業(yè)后在馬薩諸塞理工學院林肯實驗室任職，為數字計算機的隨機存取存儲器（RAM）開發(fā)奠定了基礎。離開麻省理工學院后，1976年至1986 年，他加入牛津大學，任無機化學實驗室主任。在此期間，古德諾夫發(fā)現將鈷酸鋰用作電極，可以顯著提升鋰電池的能量密度，他的諸多發(fā)現成為了后來鋰電池工業(yè)的奠基。他于 1986 年加入得克薩斯大學奧斯汀分校，任教和進行科研至今。去年，95 歲高齡的古德伊納夫還帶領團隊研制出了首個全固態(tài)電池。

斯坦利·惠廷厄姆（Stanley Whittingham）1941 年出生，1968 年在牛津大學獲得博士學位。畢業(yè)后，惠廷厄姆博士前往斯坦福大學做博士后。他于1972 年至1984 年在?？松梨谘芯颗c工程公司工作。之后他在斯倫貝謝工作了四年，隨后成為賓漢姆頓大學的教授。作為鋰離子電池的開拓者，惠廷厄姆一直被媒體預測為諾貝爾化學獎熱門人選，科學界對他奪得諾貝爾化學獎的呼聲一直很高。78 歲高齡的惠廷厄姆目前仍和古德伊納夫一樣，工作在鋰離子電池研究的第一線。

吉野彰（Akira Yoshino）生于1948 年1 月30 日，日本化學家，旭化成公司研究員，名城大學教授。

在57 歲時，古德伊納夫發(fā)明了鋰電池中最重要的部件，為鋰電池的發(fā)展做出重要貢獻；如今年過九旬，他依舊走在鋰電池研究的最前沿。下面這篇文章，將帶領我們回顧古德伊納夫的科研之路。

看到這篇文章之前，你可能從未聽說過John Bannister Goodenough。但是你一定知道他研究的東西，事實上你很有可能擁有他的“作品”。

回顧過去六七十年間的科技飛躍：脊髓灰質炎疫苗，宇宙飛船，阿帕網（互聯(lián)網前身）等等。除了這些，還有兩項發(fā)明對經濟和社會發(fā)展影響深遠。如果沒有這項發(fā)明，世界各地人們的生活都將完全不同。

第一項重大發(fā)明是1947 年誕生于貝爾實驗室的晶體管。它的出現改變了電子產品，奠定了全球經濟和現代文明的基礎。第二項發(fā)明是鋰電池。1991 年索尼公司開始商業(yè)化生產鋰電池，隨后鋰電池產品逐漸取代了依賴晶體管的笨重電子設備。

鋰電池拓寬了晶體管的應用范圍。如果沒有鋰電池，就不會有智能手機，平板電腦和筆記本電腦，以及你現在閱讀這篇文章所用的設備。當然也不會出現蘋果、三星、特斯拉等公司。

1980 年，57 歲的物理學家Goodenough 他發(fā)明了鋰電池中最重要的部件，鈷氧化物陰極。現在全世界的便攜電子設備都采用這種陰極。

現在，年過九旬的Goodenough 先生仍每天都去德克薩斯大學奧斯汀分校的小辦公室上班。對此他解釋道，我的工作還沒有完成。在鈷氧化物陰極發(fā)明35 年后，電動能源汽車在價格上仍然不能與傳統(tǒng)的內燃機汽車競爭。而太陽能和風能發(fā)電的儲存成本太高，只能立即使用。我們的前景不容樂觀：雖然現在石油價格低廉，但根據商品價格波動周期規(guī)律，其價格必然會上升；同時氣候變化問題也愈演愈烈。

簡而言之，世界需要超級電池。Goodenough 說：“不然的話，我只能說未來我們將通過戰(zhàn)爭來爭奪最后的能源，全球變暖也會發(fā)展到不可控制的地步。”

好消息是Goodenough 正和博士后助手們研究一個新想法。他說：“我想在去世前解決這個問題，我才九十多歲，還有時間?！?/p>

電池研究的土壤

電池是使帶電離子在兩個電極間定向移動的裝置。電荷定向移動產生電流供應電器工作。

制作電池需要兩個電極，離子在電極之間移動。電極之間的電解質溶液作為離子移動的介質。帶負電的電極為陽極，帶正電為陰極。當電池放電（如為電器供電）時陽離子從陽極到陰極運動產生電流?？沙潆婋姵卦谕饨与娫闯潆姷倪^程中，陽離子重新回到陽極儲存電能。

幾乎所有電池設計最后都歸結到陽極、陰極及電解質材料的選擇。它們決定了電池的儲電能力和放電速度。

早在1859 年，Gaston Planté 就發(fā)明了鉛酸電池（使用鉛電極和硫酸電解液)。二十世紀早期，使用鉛酸電池的電動汽車性能似乎優(yōu)于使用汽油的內燃機汽車。內燃機噪音很大而且很臟，啟動時還要搖動沉重的手柄。相比之下，電動汽車容易操作而且安靜。然而，汽車電子打火裝置等一系列發(fā)明使內燃機逐漸占據優(yōu)勢。幾十年來，很少人認為電動汽車會取代內燃機汽車。

商業(yè)創(chuàng)新使用電能替代內燃機的想法卷土重來。世界各地的研究者爭相研究電池，希望成為下一個福特。那時還在MIT 工作的 Goodenough 說，一切突然發(fā)生了改變，電池的研究不再無聊了。這種狂熱持續(xù)到了下個十年，并隨著阿拉伯石油禁運的影響變得越發(fā)高漲。

電能重新回到了舞臺，Goodenough 也加入了競爭。在之后的二十年里，他發(fā)明或參與發(fā)明了現代電池發(fā)展中幾乎所有的主要成果。

第一代鋰電池

Goodenough 在牛津大學工作時，英國化學家 Stan Whittingham 在電池領域取得重大突破。他和斯坦福大學的同事共同發(fā)現了在硫化鈦層片之間存儲鋰離子的層狀電極材料。鋰離子可以在電極間來回穿梭，具備充電能力，并且可以在室溫下工作。Wittingham 用化學術語intercalation（夾層）命名這種存儲方式。

這個消息吸引了廣泛關注。石油巨頭埃克森美孚邀請Whittingham，依據他在斯坦福的工作，秘密研制新型電池。1976 年，?？松梨谏暾埩虽囯姵匕l(fā)明專利。

在此之前的60 年里，消費類電子產品的標準電池是一次性碳鋅電池。（和它相比，鉛酸電池龐大沉重，只能用于汽車。）同時使用的還有鎳鎘電池。Whittingham 的成果以輕便和電量足的特點超越了這兩種電池。如果研究成功，它將能給更小更便攜的設備供電。

但還有個物理規(guī)律擋在前面。鋰電池工作的電化學反應使它容易爆炸。當過充時，電池可能自燃。即便你小心避免了這些問題，電池也會在反復充放電過程中逐漸衰減。實驗室爆炸和電池衰減這些問題困擾著Whittingham的工作。

Goodenough 認為他能設計出一種更有效、沒有致命缺陷的電池。美孚的電池采用硫化鈦作為存儲鋰離子的負極材料。而Goodenough 在麻省理工時候十分熟悉金屬氧化物材料。據他判斷，氧化物電極允許更高電壓的充放電。根據物理學定律，可以儲存更多能量而且不易爆炸。這值得一試。

鈷酸鋰·尖晶石·磷酸鐵

但還有一個潛在的問題。電極之間儲存的可移動的鋰離子越多，電極釋放的能量越多。Goodenough 考慮到，如果鋰在陰極材料中占了很大一部分，當鋰離子轉移到陽極時，陰極由于失去大量離子中空很可能塌陷。有沒有一種金屬氧化物能夠承受這種影響呢？如果有的話，會是哪一種？這種材料和鋰的比例該是多少？

Goodenough（前排左二）與同事合影，攝于1982 年牛津大學

Goodenough 指導兩個博士后助手有條不紊研究一系列金屬氧化物結構。他讓助手們確定在鋰游離需要的電壓（他的期望值遠高于Whittingham 電池的2.2V）以及游離鋰離子的比例。

結果顯示電極可以承受4 伏的電壓，有一半的鋰游離出來。這足夠用于可重復使用的電池。在他們測試的氧化物中，助手們發(fā)現鈷氧化物是最好最穩(wěn)定的材料。

1980 年，Goodenough 到了牛津四年后，鋰電池鈷氧化物陰極材料成為巨大突破。這是世界上第一個可以給大型復雜設備供電的鋰離子電池，質量遠超市場上其它電池。這種電池存儲的能量是市場上室溫可充電電池的二到三倍。它不僅體積更小而且性能相同甚至更好。

1991 年，索尼結合 Goodenough 的陰極和碳陽極技術生產了世界上第一個商業(yè)化可充電鋰離子電池，一夜之間轟動全球。索尼還將鋰離子電池應用于相機。更加輕便美觀的索尼相機很快風靡各地。

索尼的競爭對手也迅速推出了類似的電池和手持相機，并把鋰離子電池應用到筆記本電腦和手機上，形成了每年數十億美元的產業(yè)。索尼的突破引發(fā)了鋰離子電池研究的熱潮，世界各地的實驗室都開始尋找體積更小、儲能更多的鋰離子電池結構。

在這之前，沒有人預料到這項研究有如此巨大商業(yè)市場。

在常用的鈷陰極材料中，原子呈層狀堆積，儲存其中的鋰離子只能在原子層之間運動。Goodenough 認為尖晶石的原子排列方式允許離子在三維空間中運動，這樣離子就有更多出入電極板的途徑，提高了充放電速度。1982 年，Goodenough 牛津大學的博士后助手 Mike Thackeray 發(fā)明了更先進的錳尖晶石電極。相比一年前 Goodenough 的鈷氧化物電極，這種電極更安全便宜。

Padhi 和日本 NTT 公司在Goodenough 實驗室工作的研究人員 Okada 一起尋找更好的尖晶石材料。

他們嘗試了不同材料，如鈷、錳和釩，都沒有成功。最后他們的名單里只剩下一種磷鐵化合物，Goodenough認為他們最后只能選擇尖晶石，把這個想法告訴 Padhi 后他就去度假了。

Goodenough 回來后從 Padhi 處得知，正如他的預測，Padhi 的確沒有獲得尖晶石結構。但是他發(fā)現了一種自然形成的新型橄欖石結構，并成功從橄欖石結構中提取放回鋰離子。經過檢查，Goodenough 發(fā)現結果令人驚嘆。這是第三次了！第一次是鈷氧化合物，接著是尖晶石，現在是磷酸鐵，Goodenough 的實驗室誕生了三種主要的可商業(yè)化的鋰離子電池陰極材料。

雖然 Padhi 的研究成果被日本 NTT 公司的研究人員Shigeto Okada 竊取率先在日本申請專利。Goodenough 實驗室被迫卷入與日本NTT 公司、MIT Yet-Ming Chiang教授的A123 公司的專利之爭。但業(yè)內普遍認為所有的技術都源于Goodenough 的實驗室。

壯心不已

一位年過九旬的偉大發(fā)明家會得到很多榮譽，Goodenough 也是這樣。他幾乎每年都會被提名諾貝爾獎，通常和他一起提名的還有日本化學家 Akira Yoshino。Akira Yoshino 將美國人發(fā)明的陰極和石墨陽極結合，制造了第一個使索尼公司一炮而紅的鋰電池。2013 年，Goodenough 獲得美國總統(tǒng)奧巴馬授予的美國國家科學獎章；2009 年，他獲得了費米獎。事實上，也有獎項以Goodenough 命名。2009 年起英國皇家化學學會每年在材料化學領域頒發(fā)“John B.Goodenough 獎”。

但 Goodenough 似乎想以一個偉大的新發(fā)明為科學生涯畫上句號。他正在研制一種真正能讓電動汽車和內燃機汽車匹敵的超級電池，并希望這種電池可以經濟地存儲風能和太陽能。

他選擇的研究方向涉及電池科學領域里最難的問題之一：如何用純鋰或者鈉制作電池陽極？如果這種電池研制成功，將比現有的鋰電池多存儲60%的能量。這將立刻使電動車具有和燃油汽車抗衡的實力。多年來，許多科學家都進行了失敗的嘗試。例如70 年代 Exxon 公司的Stan Whittingham 實驗室多次因為鋰電池研究起火。

盡管Goodenough 并未闡明新想法，但是他認為自己已經有了一些頭緒。而且基于他之前的成果，電池領域的學者們并不太懷疑這點。現在就職于美國阿貢國家實驗室、曾在Goodenough 的指導下發(fā)現了錳尖晶石的南非人 Thackeray 說：“他仍然很敏銳，他的思想仍在突破”，“這個領域的突破一定是以出人意料的方式出現。Goodenough 就是那種打破常規(guī)的人?！?/p>

這項研究的賭注很高，Goodenough 駁斥很多與他競爭的研究方法。例如，在他看來，特斯拉的Elon Musk 只滿足于“把電動汽車賣給好萊塢那些有錢人”，把適用于中產階級的汽車電池研究交給其他科學家。這種控訴不完全正確。雖然Musk 把車以每輛8 萬到10 萬美元的價格賣給精英階層，但他正在逐步改進電池，承諾到2018 年將生產一款3.5 萬美元的汽車滿足更大的市場。

Goodenough 同樣看不上那些每年僅僅提高7%～8%電池效率的研究。他說“我們需要一些明顯的進步，而不是每次提高一點點?！?/p>

包括他自己，沒有人可以肯定Goodenough 這次會成功，只是他還沒有放棄。超級電池的研制確實很難。Goodenough 說每個人都應該不斷的去嘗試突破。他指出，在毀滅性的能源危機和環(huán)境問題來臨之前，我們還有30年的時間研發(fā)新電池并使之商業(yè)化。他認為時間足夠。他說：“許多人都在研究鋰電池，這些人都很聰明。我不敢說自己是唯一能解決這個問題的人?！?/p>

然而他很可能解決這個問題。這也是那些了解他的人一直關注John Bannister Goodenough 的原因。