古德納夫的一生，鋰電池行業(yè)的發(fā)展史丨TECH TUESDAY|即時(shí)

• 2023-06-28 07:16:07 來源：晚點(diǎn)LatePost

54 歲才開始研究鋰電池，然后工作到 100 歲。

文丨賀乾明 李梓楠編輯丨黃俊杰

(資料圖)

鋰電池已經(jīng)是現(xiàn)代文明在物理世界的基礎(chǔ)設(shè)施。今天幾乎所有觸手可及的電子產(chǎn)品，路面上越來越多的新能源車都離不開它的驅(qū)動(dòng)。

像很多其他改變世界的重大技術(shù)突破一樣，鋰電池的普及是幾十年基礎(chǔ)科學(xué)研究、工程突破和商業(yè)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的成果。但如果不是一個(gè)關(guān)鍵的人超出尋常的韌性，這一切來得會(huì)更晚。

故事開始在 1946 年，二戰(zhàn)結(jié)束不到半年的那個(gè)春天。剛退役的約翰·古德納夫（John Goodenough）上尉來芝加哥大學(xué)物理系報(bào)到，準(zhǔn)備攻讀碩士學(xué)位。他之前在歐洲戰(zhàn)場(chǎng)預(yù)測(cè)氣象變化，才剛剛滿 24 歲。

二戰(zhàn)時(shí)的古德納夫。圖片來自諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)

這個(gè)充滿無限可能的年紀(jì)，放到物理學(xué)界卻是被無情地劃歸到 “被嫌棄” 的那一檔：牛頓 24 歲發(fā)現(xiàn)萬有引力定律；愛因斯坦 26 歲發(fā)現(xiàn)狹義相對(duì)論；薛定鄂 26 歲提出玻動(dòng)力學(xué)。

“我搞不懂你們這些退伍軍人?！?他的講師、芝加哥大學(xué)明星核物理學(xué)家約翰·辛普森 （John Simpson）當(dāng)頭就是一盆冷水：“難道你不知道，頂級(jí)的物理學(xué)家在你這個(gè)年紀(jì)就已經(jīng)做出了重大貢獻(xiàn)，而你想從現(xiàn)在開始？”

辛普森 27 歲就加入曼哈頓計(jì)劃，很快成為研究組長(zhǎng)，制造原子彈。而古德納夫雖然參軍前在耶魯讀了本科，但選修的科目是倫理學(xué)、美學(xué)、心理學(xué)、數(shù)學(xué)，從沒碰過物理。

古德納夫?qū)δ欠N “被擋在門外” 的感覺習(xí)以為常了。他出生在一個(gè)父母關(guān)系極差、但對(duì)他更差的家庭里。當(dāng)大學(xué)教授的父親聽說他被耶魯錄取，給了 35 美元 “只有這些，孩子?！薄?dāng)時(shí)耶魯大學(xué)一年學(xué)費(fèi)是 900 美元。母親則不希望他出生，在他 12 歲就送去寄宿學(xué)校，之后少有往來。在自傳中，提到了童年時(shí)，古德納夫溫暖地回憶了兄弟姐妹、家庭女傭和一只名叫麥克的狗。沒有父母。

古德納夫沒有被辛普森勸退。而古德納夫是作為一個(gè)政府項(xiàng)目被塞給芝加哥大學(xué)，辛普森無權(quán)拒絕。

辛普森沒有夸大物理研究的困難。古德納夫在芝加哥大學(xué)拿到物理學(xué)博士學(xué)位之后，去麻省理工學(xué)院做了 24 年材料研究。54 歲那年，實(shí)驗(yàn)室因?yàn)檎块T分工調(diào)整被關(guān)停，結(jié)束了物理研究生涯。期間他并沒有做出過能與辛普森比肩的顯著突破，最出名的研究是為計(jì)算機(jī)中的內(nèi)存 (RAM) 打了基礎(chǔ)。但 20 多年物理學(xué)的研究，讓他更熟悉各種材料的特性，并在之后的研究生涯中發(fā)揮作用。

失業(yè)后，他在牛津大學(xué)找到了一份工作，開始化學(xué)研究、研究鋰電池材料。他后來接受《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)》刊物采訪時(shí)把這次轉(zhuǎn)折視為新的開始：“我正式成為了一名學(xué)者，同時(shí)也成為了一名化學(xué)家?！?/p>

他的科研生涯開始晚，但持續(xù)得久，有 47 年。他的研究成果生命力更久——任何用到鋰電池的產(chǎn)品，都直接受益于古德納夫的研究。

三次重要突破，讓一個(gè)概念變成基礎(chǔ)設(shè)施

古德納夫不是第一批從事電池研究的學(xué)者。世界上第一顆電池在 1800 年就誕生了，意大利物理學(xué)家亞歷山德羅·沃爾塔 (Alessandro Volta) 用銅板、鋅板和浸泡在鹽水中的紙盤造出了第一個(gè)能在固定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定電流的電池。

這即是沿用至今的電池設(shè)計(jì)原理，電池使帶電原子（離子）從一個(gè)點(diǎn)（正極）移動(dòng)到另一個(gè)點(diǎn)（負(fù)極）產(chǎn)生電流，為設(shè)備供電。

之后 100 多年，除了法國(guó)發(fā)明家加斯頓·普蘭特（Gaston Plante）用鉛酸電池解決了重復(fù)使用問題，增加了碳鋅、鎳鎘當(dāng)正負(fù)極等技術(shù)路線外，電池技術(shù)并沒有太多進(jìn)展。

直到 1970 年代，遭遇石油危機(jī)的歐美國(guó)家開始投入資源尋找石油替代品，研究更高效的電池成為重點(diǎn)資助項(xiàng)目。鋰成了最熱門的研究對(duì)象，在整張?jiān)刂芷诒砩希亲钶p且?guī)щ娏孔罡叩慕饘?，也是最適合被用于制造電池的元素。

大量資源傾注，只花了十五年時(shí)間，科學(xué)家們就做出了鋰電池的所有關(guān)鍵技術(shù)：

1976 年，英國(guó)科學(xué)家斯坦利·惠廷漢姆（Stanley Whittingham）用二硫化鋰和純鋰金屬當(dāng)正負(fù)極做出了第一顆鋰電池，但存在安全問題，極易發(fā)生爆炸。1980 年，古德納夫發(fā)明鈷酸鋰電池正極，是提升鋰電池的安全程度的關(guān)鍵步驟，并提升了電池性能。1985 年，日本科學(xué)家吉野彰（Akira Yoshino）發(fā)明石墨電池負(fù)極，完成了鋰電池架構(gòu)的最后一塊拼圖。1991 年，索尼在古德納夫等人研究基礎(chǔ)上做出商用鋰電池。

2019 年，惠廷漢姆、古德納夫和吉野彰共同獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。古德納夫研究的正極是電池最關(guān)鍵的零部件，直接決定電池的性能。因此電池通常以正極材料命名。

商用的鈷酸鋰電池示意圖。圖片來自諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)

從左至右分別為古德納夫、惠廷漢姆、吉野彰。圖片來自諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)

開發(fā)鋰電池最大的挑戰(zhàn)是鋰本身，它極易與水、空氣發(fā)生反應(yīng)，非常容易起火爆炸。很長(zhǎng)時(shí)間只被用在核武器和發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑劑中?；萃h姆使用當(dāng)時(shí) 1000 美元 / 公斤（相當(dāng)于目前 3.74 萬元人民幣）的二硫化鈦材料盡可能減少起火爆炸風(fēng)險(xiǎn)，但成效不大。

古德納夫自認(rèn)為能研究出能量密度更高、更安全的電池。他的信心來自于麻省理工時(shí)期研究的金屬氧化物材料。他認(rèn)為用氧化物做電池正極，能讓電池在更高的電壓環(huán)境中穩(wěn)定放電，這意味著同等重量下，電池能量密度更高。

電池研究是一個(gè)極其考驗(yàn)韌性的工作。鋰電池行業(yè)的研究人員會(huì)將這個(gè)過程比作 “煉金術(shù)”，需要不斷調(diào)整溫度、濕度等要素去測(cè)試各種材料的性能，測(cè)試前沒有人知道結(jié)果會(huì)怎樣。

古德納夫做研究時(shí)，計(jì)算機(jī)才剛開始普及，主要靠人反復(fù)試驗(yàn)。有 20 多年相關(guān)研究積累的古德納夫，帶著團(tuán)隊(duì)花費(fèi)了四年時(shí)間，才找到了鈷酸鋰。而埃克森美孚實(shí)驗(yàn)室爆炸了幾次就放棄了。

雖然鈷的價(jià)格同樣很貴，超過 30 萬元 / 噸，且全球一半的儲(chǔ)量位于政局動(dòng)蕩的非洲剛果金。但古德納夫研發(fā)的電池能量密度比當(dāng)時(shí)的鎳鎘電池提升了 2.5-3 倍，而且足夠安全，成本已經(jīng)低到被智能手機(jī)、電腦公司接受。

摩托羅拉 1983 年發(fā)布的世界上第一款商用手機(jī) DynaTAC 重 790 克，抵得上 4 個(gè)半 iPhone，而且充電 10 個(gè)小時(shí)，只能通話 30 分鐘。受限于電池，只能這樣。摩托羅拉使用當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的鎳鎘電池，儲(chǔ)存 1000 毫安時(shí)電量的電池重量就超過 90 克。

13 年后，摩托羅拉發(fā)布的新款手機(jī) Startac 只有 85 克，通話時(shí)間卻長(zhǎng)了一倍。變化主要來自新手機(jī)采用的鋰電池。

鋰電池在消費(fèi)電子行業(yè)迅速普及，也喚起了汽車行業(yè)的雄心。2008 年，特斯拉用 6381 節(jié)鈷酸鋰筆記本電腦電池造出了電動(dòng)跑車，續(xù)航 393 公里，百公里加速 3.7 秒，已經(jīng)不弱于一般的燃油車。

驅(qū)動(dòng)一輛汽車需要的電池?cái)?shù)量是手機(jī)的 1300 倍，推動(dòng)電動(dòng)汽車普及，不可能像打造豪華車那樣全用鈷酸鋰電池。降低電池成本，也是古德納夫研發(fā)出鈷酸鋰電池后的重要研發(fā)方向。

現(xiàn)在 99.9% 的電動(dòng)汽車都采用三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。這兩個(gè)電池技術(shù)路線起點(diǎn)都是古德納夫的團(tuán)隊(duì)：

1982 年古德納夫和他在牛津大學(xué)的博士后邁克·薩克雷 (Mike Thackeray) 發(fā)明了比鈷酸鋰更便宜、安全的三元鋰（錳酸鋰）材料。1991 年，古德納夫在得州大學(xué)的博士后阿克沙亞·帕迪用磷和鐵的化合物制造出了磷酸鐵鋰材料。

古德納夫 97 歲時(shí)仍指導(dǎo)學(xué)生。圖片來自得州大學(xué)

“記住我們是在與問題競(jìng)爭(zhēng)，而不是與人競(jìng)爭(zhēng)?！?古德納夫獲得諾獎(jiǎng)后接受采訪談起怎么做研究說，“對(duì)話、對(duì)話、對(duì)話始終非常重要?！?/p>

研究里發(fā)生沖突很常見，一些分享諾獎(jiǎng)的得主甚至因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)拒絕同臺(tái)。但與古德納夫一起獲得諾獎(jiǎng)的惠廷漢姆、吉野彰都把他當(dāng)做數(shù)十年的朋友。惠廷漢姆退休后，還經(jīng)常被古德納夫拉著討論問題?！拔腋嬖V同事們，只要約翰還在，我就還是一位在職的科學(xué)家?！?惠廷漢姆在 2019 年接受采訪時(shí)說。

十多年時(shí)間研發(fā)出三種改變世界的電池正極材料，決定了古德納夫在鋰電池?zé)o可比擬的地位，也被稱為 “鋰電子之父”。2022 年，古德納夫 100 歲生日時(shí)，全球各地的研究者在線接入，為他慶祝，美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)旗下《Chemistry of Materials》期刊專門出了一本期刊紀(jì)念他的成就。

在他 100 歲這年，全球共生產(chǎn)了 957.7GWh 的鋰電池，用于幾乎所有的消費(fèi)電子產(chǎn)品，用到幾乎每一輛電動(dòng)汽車中，以及太陽能、風(fēng)能發(fā)電的儲(chǔ)能設(shè)備中。中國(guó)工信部估算，只算這些電池，價(jià)值就超過 1.2 萬億元人民幣。

改變了世界，但沒因?yàn)閷＠嵉藉X

47 年的電池研究生涯中，古德納夫拿了化學(xué)家能拿到的所有獎(jiǎng)項(xiàng)：諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)、恩里科·費(fèi)米獎(jiǎng)、美國(guó)國(guó)家科學(xué)獎(jiǎng)?wù)隆⒏惶m克林獎(jiǎng)?wù)?、韋爾奇化學(xué)獎(jiǎng)、科普利獎(jiǎng)?wù)?、查爾斯·斯塔克·德雷珀?jiǎng)、日本國(guó)際獎(jiǎng)等。

但他并沒有靠鋰電池專利拿到什么錢，他的收入主要來自在幾個(gè)高校的薪水。獲得各種獎(jiǎng)項(xiàng)的獎(jiǎng)金，也被他捐給研究或設(shè)立了獎(jiǎng)學(xué)金。

在牛津大學(xué)研究出鈷酸鋰電池正極時(shí)，還沒有人意識(shí)到他研究的潛力，牛津大學(xué)拒絕為其申請(qǐng)專利。最后他通過英國(guó)原子能研究機(jī)構(gòu)申請(qǐng)了專利，代價(jià)是他放棄收益。

1982 年，古德納夫（前排左二）在牛津大學(xué)。圖片來自得州大學(xué)

古德納夫后來經(jīng)常被問到的問題是：“當(dāng)你放棄專利時(shí)，有預(yù)料到會(huì)產(chǎn)生什么結(jié)果嗎？” 他的回答也很誠實(shí)，“當(dāng)然沒有”“不知道它會(huì)價(jià)值數(shù)十億美元。” 但他從來沒有流露出任何懊惱情緒。“幫助實(shí)現(xiàn)讓許多人的生活變得更好的技術(shù)，帶來喜悅，就足夠了。” 他在諾獎(jiǎng)自傳中寫道。

他失去后續(xù)關(guān)鍵研究的專利，則是體現(xiàn)了商業(yè)的陰暗面。1993 年，71 歲古德納夫已經(jīng)從牛津大學(xué)到了得州大學(xué)奧斯丁分校做研究，主要的原因是在牛津大學(xué)到了年齡就要退休，而他希望繼續(xù)做研究。

這一年，作為鋰電池權(quán)威的古德納夫收到 NTT（日本電報(bào)電話公司）的材料學(xué)家岡田重人（Shigeto Okada）的申請(qǐng)，希望自費(fèi)跟著他做研究。古德納夫同意了，安排他和名叫阿克沙亞·帕迪（Akshaya Padhi）的印度博士后一起尋找能量密度更高、更安全的鋰電池。

經(jīng)過幾年研究后，他們?cè)诠诺录{夫的指導(dǎo)下發(fā)現(xiàn)了磷酸鐵鋰。在此期間，岡田重人一直偷偷向 NTT 透露古德納夫團(tuán)隊(duì)的研究成果。NTT 在此基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的研究，并在 1995 年申請(qǐng)了磷酸鐵鋰專利，引發(fā)了雙方的專利訴訟。

就在得州大學(xué)與 NTT 打官司的時(shí)候，麻省理工學(xué)院的研究者蔣業(yè)明在古迪納夫的研究基礎(chǔ)上開發(fā)出自己版本的磷酸鐵鋰，并申請(qǐng)了專利，也跟得州大學(xué)打起了官司。

“在此之后，業(yè)界的印象是，古登納實(shí)驗(yàn)室的發(fā)明可能會(huì)出現(xiàn)在任何地方?！?長(zhǎng)期研究電池的作家史蒂夫·萊文（Steve LeVine）說，2008 年比亞迪發(fā)布搭載自研磷酸鐵鋰電池電動(dòng)車時(shí)，已經(jīng)沒人在意它的電池技術(shù)是從哪來的了。

未能實(shí)現(xiàn)的愿望

“我希望解決汽車問題，我希望消除世界各地公路上的所有碳排放。”2018 年，96 歲的古德納夫接受采訪時(shí)說，“我希望在死之前能看到?！?/p>

他沒有等，而是自己去做。說這話前一年，他和團(tuán)隊(duì)成員發(fā)布論文，介紹了一種 “玻璃電池”。這屬于現(xiàn)在鋰電池研究中最熱門的 “固態(tài)電池” 方向。

現(xiàn)在的鋰電池還不是完美的能量存儲(chǔ)工具。如果充電速度過快，正極會(huì)出現(xiàn) “枝晶”，刺穿電池的隔離膜，導(dǎo)致電池短路起火——這是現(xiàn)在電動(dòng)汽車自燃的主要原因。而且現(xiàn)在的鋰電池能量密度，依舊無法與汽油比肩，續(xù)航和充電速度都有限制，是電動(dòng)車難以替代燃油車的主要原因。

固態(tài)電池使用固體電解質(zhì)替代液體電解質(zhì)，是人類已知的終極電池方案，有望全面解決鋰電池的安全問題，并大幅提高充電速度和能量密度。近年來遭到全球電池企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)追捧，寧德時(shí)代、松下、LG 等都在投入資源研究。

古德納夫的團(tuán)隊(duì)用玻璃電解質(zhì)代替液體電解質(zhì)，搭配堿金屬負(fù)極，宣稱能量密度是現(xiàn)在鋰電池的三倍、只需要幾分鐘就可以充滿電，能充放電 23000 次，不是現(xiàn)在的幾千次，而且不會(huì)形成枝晶——意味著不會(huì)自燃。

他們的研究公布之后，因?yàn)槿狈θ鏀?shù)據(jù)引發(fā)了廣泛質(zhì)疑。還有普林斯頓大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究者評(píng)論，他們提出的電池工作機(jī)制 “違背了熱力學(xué)第一定律”。

古德納夫?qū)⑦@類質(zhì)疑視為競(jìng)爭(zhēng)，并沒有因?yàn)槟挲g放下研究。直到 2022 年，他 100 歲時(shí)，還有 3 篇他是第一作者的論文發(fā)布。而他帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，今年還圍繞固態(tài)電池發(fā)布了 6 篇論文。

和過去所有電池研究一樣，固態(tài)電池依舊是一場(chǎng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)、比拼韌性和時(shí)間的研究方向。日本的豐田、日立造船等公司在過去 30 年嘗試了數(shù)萬種電解質(zhì)配方，才挑選出幾十種材料應(yīng)用到電池中。

不同于早先的研究，鋰電池已經(jīng)充分展示了商業(yè)價(jià)值。越來越多學(xué)者、越來越多的公司愿意投入。僅過去一年，全球最大的兩家電池公司寧德時(shí)代和 LG 新能源就投入 200 億元人民幣，爭(zhēng)相尋找下一個(gè)有潛力的化合物。

但這一次，古德納夫已經(jīng)不能繼續(xù)參與了。6 月 25 日，他在距離 101 歲生日還有 1 個(gè)月時(shí)去世。

題圖來自得州大學(xué)。

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