昔日二战老兵,54半路出家97岁获诺奖!他正挑战新的电动车电池

科学
昔日二战老兵,54半路出家97岁获诺奖!他正挑战新的电动车电池
麻省理工科技评论 2019-10-10

2019-10-10

Goodenough is goodenough, Goodenough never feel goodenough,the best is yet to come!
诺贝尔奖 电池 科学
Goodenough is goodenough, Goodenough never feel goodenough,the best is yet to come!

对于绝大多数人来说,科学家们的名字往往并没那么好记。

但美国固体物理学家、得州大学奥斯汀分校的机械工程和材料科学教授约翰·古迪纳夫(John B. Goodenough),却可能是个例外。他的姓氏:Goodenough,是英文“足够好”的意思。这样的名字,好记又好听。而他,也确实是一个把自己的人生和人类的命运,都弄得“足够好”的人。

数学出身,深谙固态物理,半路出家搞电池,当过二战兵,30 岁博士毕业,54 岁开始研究电池,58 岁研发钴酸锂,75 岁研发磷酸铁锂,94 岁研发全固态电池,如今 97 岁的古迪纳夫,仍然带着最后一个博士生,并在刚刚过去的昨天,拿到了至高的科学荣誉——诺贝尔化学奖,成为史上最高龄的诺奖得主。

2019 年 10 月 9 日,北京时间下午 5 点 50 分左右,瑞典斯德哥尔摩。并没有过多的故弄玄虚,瑞典皇家科学院干脆利落地宣布:将 2019 年诺贝尔化学奖,授予约翰·B·古迪纳夫、M·斯坦利·惠廷厄姆和吉野彰,以表彰他们在锂离子电池研发领域作出的贡献。

再一次,诺奖聚焦了一项改变了世界的重要发明。全球近三分之二人口拥有移动设备,且几乎所有移动设备都要由锂离子电池驱动,锂电池走向工业领域,已经让大量锂电公司蓬勃生长。

从手机到清洁能源,从电动牙刷到电动汽车,锂离子电池对于现代社会的重要意义,已经无须赘言。这项技术曾和晶体管一起,被视作电子工业中最伟大的发明。今年的诺奖花落锂离子电池,可谓众望所归。这一切的源头,都来自于这三位科学家的奠基性贡献。

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图丨 2019 年诺贝尔化学奖的三位得主(来源:Nobel Prize)

三人之中,获奖名单上的第一个名字——约翰·B·古迪纳夫,却又格外引起了大家的关注。

首先,自然是因为他发明了锂离子电池,“创造了一个可以充电的世界”(诺奖评选委员会语);

其次,也是因为他作为近年来一直呼声极高的化学奖得主,已经“陪跑”多年,甚至被称为是“诺贝尔化学奖的村上春树”;

还有,他以 97 岁的高龄成为了诺贝尔奖历史上年龄最高的得主,证明了要拿诺奖,除了成果顶尖,还得活得够久;

但更重要的是,他毕生都在为让人类摆脱化石燃料而奋斗,而且对于这个已经 97 岁、却依然精力充沛的老人来说,这个奋斗还在继续。

今天,我们要大书特书的,就是古迪纳夫人如其名、无比精彩的“足够好”的人生。

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图丨 古迪纳夫和锂离子电池(来源:麻省理工科技评论)

家庭不睦、阅读障碍、二战服役下的“人生进度条”

古迪纳夫对于锂离子电池的贡献,不只是一句“发明人”就可以概括的。宣告了锂离子电池横空出世的钴酸锂电池,是他 70 年代末、80 年代初的研究成果;不少电动汽车常用的磷酸铁锂电池,是他 90 年代的工作结晶;就在前两年,94 岁高龄的古迪纳夫又完成了固态电池领域的最新突破性成果之一。

但在取得了这些改变了人类进程的“足够好”研究成果之前,他自己的人生其实并不够好。

古迪纳夫 1922 年出生于德国,童年是在耶鲁大学所在地、美国康涅狄格的纽黑文度过的。尽管古迪纳夫的父亲是耶鲁的宗教史教授,薪资不菲,但他的父母却经常超支,且家庭不睦。

而我们今天的主角——约翰·古迪纳夫,则是他母亲本不想要、生下来也没怎么管过的第二个孩子(第一个孩子后来成为了一名知名的人类学家)。上世纪二十年代的美国,一对夫妻就算感情再怎么破裂,也不会轻易就选择离婚。这使得古迪纳夫童年时期的家庭氛围无比压抑和紧张。拯救他的,是对自然无穷无尽的探索欲。他经常带上他名叫马克的狗,在康涅狄格纽黑文郊区的树林与小溪里寻找他的最爱:蝴蝶、蝌蚪和蝾螈。

10 岁的古迪纳夫有了自己的第一个职业理想——成为一名探险家。

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图丨上世纪初的位于纽黑文的耶鲁大学(来源:Flickr)

然而,进入中学后,对世界充满好奇的古迪纳夫却被发现阅读障碍,这让他学习任何东西都变得非常困难。

更糟糕的是,当时并没有多少人知道这其实是一种疾病,患者自己无法控制。因此,在老师和同学们的眼中,这位日后举足轻重的科学家,当年只是一个不折不扣的差生,受尽了嘲讽与责罚。即便如此,古迪纳夫还是更喜欢学校的生活。毕竟,跟学校相比,他更不愿意面对家里父母之间无尽的战争。

如果读不懂诗句,就用手把它们抄下来。就这样,他一点一点克服了各种困难,再加上给其它同学熨衣服和做家教赚来的钱,进入了父亲任教的耶鲁大学。

摆脱了阅读障碍的困扰,他的智力水平开始显现。

1944 年,古迪纳夫以最优等荣誉学位从耶鲁大学数学专业本科毕业。之后以气象专家的身份参加了第二次世界大战,又在战争结束后,突然奉一纸调令从欧洲回到美国,赴芝加哥大学攻读物理学博士学位。本科的时候,他学习的专业是数学,几乎没上过多少与科学相关的课程。但一位耶鲁的数学教授,还是把他塞进了那份只有 21 人的老兵深造推荐名单中,让这位已经 24 岁的陆军上尉重返校园。

要不是战争,他的资质可能并不足以让他被齐纳二极管的发明人、克拉伦斯·齐纳选为博士生。

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图丨古迪纳夫的博士导师——齐纳,那时的芝加哥大学云集着泰勒、费米等一众大咖,可谓群英荟萃(来源:Wikipedia)

换了专业,他不得不选修一些本科生的科学课程,从基础补起。一位教授对他说,“我是真的不理解你们这些老兵,任何在物理学领域取得了什么成就的人,在你这个年纪早就已经完成了,难道你不知道吗?”

这位教授说的没错,1952 年,古迪纳夫博士毕业的时候已经 30 岁了。

20 年麻省理工学院时光,参与开发首批 RAM

年少的时候有阅读障碍,读博士的时候年纪也不小了,还是跨专业,对于常人来说,能够顺利拿到芝加哥大学的博士学位,就已经可以算是人生巅峰了。然而,古迪纳夫在科学上的天赋,却超乎了可能包括他自己在内的所有人的想象。再加上博士期间,物理学泰斗齐纳给他打下的坚实的基础,他的人生爬坡,从博士毕业才真正开始。而且这一爬,就爬上了一座又一座令人高山仰止的巅峰。

博士毕业之后,古迪纳夫加入了麻省理工学院的林肯实验室(Lincoln Laboratory),从事了近 20 年磁性存储器的研究工作。

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图丨麻省理工学院也在诺奖颁出的第一时间发布了祝贺推特(来源:推特)

20 世纪 50 年代,电脑还是一个由上万个长得像灯泡一样的真空管组成的庞然大物,信息存储成本昂贵、效率低下。古迪纳夫和他的团队研究出了一种用磁体来存储信息的新思路,这种新技术速度更快、价格更低、可靠性还更高。取得研究突破之后,古迪纳夫发表了一系列文章,介绍自己在该领域的理论研究。他写的一本书甚至成为了不少固态化学研究人员口中的 “圣经” 。

这些理论后来变成了 “古迪纳夫-金森法则(Goodenough-Kanamori Rules)”,并为日后随机存取存储器(RAM)的诞生奠定了相当重要的基础。所谓的随机存取存储器,是现代电子计算机中最重要的存储单元,它有一个更常听到的名字——内存。

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图丨当年笨拙的真空管计算机和如今小巧的内存条(来源:Wikipedia)

自此,古迪纳夫已经可以算是一名小有成就的科学家了。1972 年石油危机之后,全世界的目光开始聚焦到能源领域相关的研究,科学家开始大范围地寻找更可持续的储存和使用能量的方法,适逢美国国内的研究经费开始向国防领域倾斜,古迪纳夫动了离开麻省理工学院林肯实验室的念头。

电池创新养活无数家企业,他却不是全球十大富豪之一

一直想为发展中国家做点什么的他,本来想去的是伊朗的德黑兰。

那时,伊朗还是美国的铁杆盟友。但他的妻子总觉得哪里怪怪的,力劝他去英国加盟牛津大学。妻子的“第六感”应验了:很快,伊朗就爆发了伊斯兰革命,跟美国势同水火直到今天;而牛津,则让古迪纳夫进入了全新的领域——锂离子电池。

1976 年,古迪纳夫搬去牛津的同一年,M·斯坦利·惠廷厄姆发明的第一种可充电的锂离子电池实现了商业化。没错,惠廷厄姆就是今年诺贝尔化学奖的第二位得主。然而,惠廷厄姆的电池虽然是电池产业的一次飞跃,却有一个严重的问题:在过充的时候极易发生爆炸。这意味着这种技术没法真正投入大规模商用。

但世界并没有等待太久。

短短四年后的 1980 年,古迪纳夫就给出了他的答案——钴酸锂阴极,可以在嵌入、析出大量锂离子之后,依然保持结构稳定。钴酸锂电极制成的锂离子电池安全、可靠,而且电压更高、能量密度更高。相比于其它充电电池,钴酸锂电池可以多储存一倍、甚至两倍的电能,使得锂离子电池拥有更小的体积、更大的容量和更加稳定的使用方式,既可以用于结构紧凑的器件,也可以用于给大型设备供电。

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图丨锂离子电池中钴酸锂阴极示意图(来源:Nobel Prize)

1991 年,索尼公司把古迪纳夫的钴酸锂阴极和吉野彰(也就是第三位获奖者)开发的阳极放在一起,制成了世界上第一款商用锂离子电池。

不出十年,锂离子电池就完成了对市场上其它竞争产品的横扫:手机、相机、电脑,无数设备中都安装了古迪纳夫发明的钴酸锂锂离子电池。也就是从那时起,“锂电池之父”的名头不胫而走,也开始有人呼吁,应该给古迪纳夫发一个诺贝尔奖了。

到今天,全球锂离子电池的市场规模已达数百亿人民币。

不过,古迪纳夫并没有通过这项发明赚到什么钱。当时的牛津大学不觉得这是一个值得申请专利的技术,古迪纳夫也没能预料到锂离子电池后来能有这么火。他还是继续搞着他的研究。取得钴酸锂这项突破的时候,古迪纳夫已经 58 岁,快到退休年龄了。但谁也没有想到,这竟是他在锂离子电池领域突破的开始。

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图丨英国皇家化学会在牛津大学设置的蓝色牌匾,纪念古迪纳夫等人在此发现锂离子电池的阴极材质钴酸锂(LiCoO2)(来源:Wikipedia)

1986 年,古迪纳夫回到美国,开始在得州大学奥斯汀分校任教。早在 1982 年,他就提出了锰酸锂阴极,回到美国之后,又提出了磷酸铁锂阴极。尽管磷酸铁锂的电压低于钴酸锂,但成本更低,更重要的是更加稳定,且可以用更大的功率进行充放电。而“动力充沛”这个功能,正是电动汽车、电动工具里安装的“动力电池”所需要的。

这一次,古迪纳夫意识到要为磷酸铁锂注册专利了,却又陷入了一场旷日持久、涉及到两国(美国/日本)三方(得州大学/MIT/日本 NTT)的知识产权大战,情节复杂离奇有如商业间谍大片。于是,古迪纳夫还是没能赚到钱。

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图丨磷酸铁锂电池是最常用的电动汽车电池之一(来源:MIT TECHNOLOGY REVIEW)

进入 21 世纪,创造过两波锂离子电池奇迹的古迪纳夫,已经八九十岁了,他的妻子和哥哥也相继离世。同年龄的科学家们大多数都早就退休了,但这不是古迪纳夫想要的生活。

如今,古迪纳夫还依然每天去实验室,奋斗在科研第一线。他周一到周五,每天早上七点都会在办公室开始工作,周六周日也会再在家工作一天半。这样高强度的工作,不少 20 多岁的年轻人都难以承受,而古迪纳夫却已经做了一辈子。他从来没想过退休,夫人也十分支持他继续工作。

事实上,他从来没有和夫人提出过自己不想退休的想法,夫人也没有主动提出让他退休,所以他也就一直工作着,哪怕他这辈子留给科研的时间要多于陪伴夫人的时间。

老当益壮,全新的固态电池突破正在路上

2017 年,一封名为《约翰·古迪纳夫应该获得诺贝尔奖的公开信》(Open Letter:John Goodenough Deserves A Nobel Prize)出现在了 CleanTechnica 网站上,希望诺贝尔委员会能够授予古迪纳夫诺贝尔化学奖。不过,这项很多人参与的请愿运动,不出意外地没有得到瑞典皇家科学院的回应,2017、2018 年的诺奖,古迪纳夫也继续“陪跑”。但他却有别的更重要的事情要操心。

距离上一次锂电池领域的突破,已经过去 20 多年了。这期间,无数研究人员奋力研发着新电池。古迪纳夫觉得,自己只是这个队伍中的普通一员。他认为,他还需要最后一个重大发明才能无愧于自己——制造出可以使电动汽车代替汽油车的高容量电池。

同样也是在 2017 年,九十多岁高龄的古迪纳夫,带领工程师团队打造了一个新型的低成本的全固态电池。

相比于之前的使用液态电解质的锂离子电池,这款新电池不易燃烧,能量密度至少是当下锂离子电池的三倍,循环寿命还长,同时,充电速率也从几小时大幅缩短到只有几分钟。各界舆论一时惊呼,锂电池之父再度出手,一旦成功商用化,电动汽车的未来又将彻底改写。当然,这一最新成果的商业化仍需时日。

特别值得一提的是,这位新晋诺奖得主目前还在带至少一位博士生,团队里也还有十位左右的博士后。

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图丨古迪纳夫还在办公室指导学生,眼神似乎不错的样子(来源:Nobel Prize)

92 岁的时候,古迪纳夫曾说,我才 92 岁,我的人生长着呢!

如今,他已经 97 岁了。但这位从来没有因为自己的发明得到过一分钱的锂电池之父,却丝毫没有想要停下来的意思,依然每天在办公室忙碌着。古迪纳夫想要用他已经足够丰富的学术经验,为人类开启一个足够清洁的未来;而姗姗来迟又足够及时的诺奖,则成为了他足够精彩的故事里,又一个足够分量的篇章。

Goodenough is goodenough, Goodenough never feel goodenough,the best is yet to come!

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图丨诺贝尔奖得主:“对全人类做出了最伟大的贡献” (来源:Nobel Prize)

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