電池革命的引導者

云望舒

假如能活到94歲，你會選擇依然堅守在工作崗位上或者繼續追求自己的夢想嗎？約翰·古迪納夫就是這樣一個人，到今天即使是在九旬的高齡，這位固態物理學家仍然在繼續推動著電池行業發展的創新。

也許你沒有聽過古迪納夫這個名字，但是你一定用過鋰電池。那些我們愛不釋手的數碼產品——手機、電動工具、手提電腦、平板電腦等無線設備，90%使用的都是用鋰電池進行供電的。而古迪納夫被譽為“鋰電池之父”，正是他的杰出貢獻才使得鋰電池在今天能夠得到廣泛的應用。

在逆境中成長起來的全才

雖然古迪納夫無疑是一位非常杰出的天才，但作為一個患有讀寫困難癥的孩子，青少年時期的他在馬薩諸塞州格羅頓中學的學習其實非常艱難。盡管如此，他還是克服了種種困難挑戰，獲得獎學金，進入耶魯大學，而后他獲得了數學學士學位，以班上最優異的成績畢業。

不久之后，古迪納夫參加二戰，1946年返回美國，24歲的他選擇來到芝加哥大學攻讀物理學博士。有位教授警告他，以他現在的年齡怕是難以在一個新的領域上取得建樹。古迪納夫并不理會，師從克拉倫斯·齊納——齊納二極管的發明者，順利博士畢業。

畢業之后，古迪納夫在麻省理工學院的林肯實驗室工作，對計算機內存進行研究。磁芯隨機訪問內存是由他的團隊自主研發的，這是在計算機內存和電子產品中的一個革命性發明。

1969年，古迪納夫應邀負責福特汽車公司的電池項目，研究過渡金屬氧化物。幾年之后，他應邀來到英國牛津大學當無機化學教授，并繼續研究電池問題。

兩次錯失專利的發明

說到電池我們都不陌生，它有著200多年的歷史。而我們現在日常生活中常說的鋰電池其實準確地說應該是鋰離子電池。1976年，埃克森美孚發明了世界上第一個鋰電池，鋰電池質量輕、儲能大，在當時是一個很大的突破。但是鋰單質的化學性質非常活潑，使得人們在加工、儲存和使用方面都要非常小心，所以也極大地限制了鋰電池的發展。

1979年，古迪納夫展示了可以使用鈷酸鋰作為鋰離子可充電電池的正極，既可以避免使用金屬鋰做電極的危險，又有可能實現比鋰電池更高密度的能量存儲。該正極材料在1991年由索尼公司商品化，將其應用于生產更輕、更便攜的家用電子產品。于是便攜式電子設備行業開始出現并快速發展。

不幸的是，牛津大學從未為這個發明申請專利。盡管后來這個正極材料在商業上取得了巨大成功，但古迪納夫基本沒有從中獲取什么利益。然而，鋰離子電池改變了未來科技的發展。

他仍然繼續著他的工作，尋求電池設計上的改進。當他再次回到美國，他在得克薩斯大學的實驗室研究團隊開發出一個橄欖石晶體結構的磷酸鐵鋰正極，使得電池在充電時獲得更高的效率。

這一次，他的實驗室中一個研究員涉嫌將這個成果上報給了日本的雇主，那邊隨后申請了專利且將此技術進一步發展。而后由此引發了一場橫跨了十多年的知識產權大戰，最終的結果是，得克薩斯大學獲得3000萬美元的賠償和享受紅利。但又一次，古迪納夫沒有從他實驗室的工作中獲得利益。

尋找電池革命性的突破

有意思的是，古迪納夫的英文名叫“Goodenough”，拆開看就是“足夠好”。如果成為世界上應用最廣泛的電池正極的發明人之一還不夠，那什么樣的才叫足夠好？在那之后，古迪納夫已經享受足夠的贊譽，但是他覺得還沒有做完。

鋰離子電池顯然還存在著一定的局限性。最大的證據就是讓三星、蘋果智能手機制造商非常尷尬的接二連三的爆炸事件，一定程度上就是因為如果電池充電太快，將會導致電極形成樹突，并穿過液態電解質使兩極相互接觸，造成可能會引發爆炸和火災的短路。此外，雖然電力是既高效又清潔的能源，但是如果要將電池應用于電動汽車并進行長途旅行的話，我們需要頻繁對其進行充電。目前的電池對電動汽車發展產生的障礙有：電池成本太高、充電所需時間過長、續航能力不足等。

過去20多年里，許多新型電池被開發出來，但沒有一個是同時具備足夠強力、足夠安全和足夠便宜等優點，足夠取代鋰離子電池。這些“革命”電池的想法大多被證明是不切實際的應用。

“超級電池”的迷人前景

可喜的是，古迪納夫最近提出的新型固態電解質電池非常適用于此，也算是完成他的“超級電池”的承諾。

“超級電池”最大的特點是采用了玻璃作為固態電解質和以堿金屬作為負極。選用固態電解質，首先會避免電極樹突的形成，提高充電速度（僅需幾分鐘），且就算是顛簸之下電池也很難短路爆炸；其次，還能允許電池在極端的環境溫度下（-20℃到60℃）正常工作，所以即使你駕車到冰天雪地里釣魚或是穿行于撒哈拉沙漠欣賞駱駝，你的電池和你都會安然無恙；此外，玻璃電解質的應用使得電極材料不局限于鋰，還可以將其更換為鈉鉀等堿金屬，能夠增加電池的能量密度（是當前鋰離子電池的三倍以上）和實現更長的循環壽命（是鋰離子電池的兩倍），而且這會更加經濟環保，因為鈉是在海水中大量存在的元素。

“成本、安全、能量密度、充放電速度和循環壽命是電池能否廣泛應用于電動汽車的關鍵。我們相信這個發現解決了現在電池中存在的許多固有問題。”古迪納夫說。他希望能夠與電池制造商一起合作，開發和測試他們的新材料在電動汽車和能源儲存設備上的應用。

鈷酸鋰正極推動了便攜式電子設備的發展，而似乎固態電解質電池也將會改寫電動汽車的歷史，古迪納夫這一生的工作簡直令人難以置信。

仍在等待諾貝爾獎

雖然古迪納夫已經獲得了許許多多的獎項和榮譽，但他仍舊沒有獲得諾貝爾獎，盡管他的研究徹底改變了一個產業——畢竟，晶體管的發展若沒有鋰離子電池可能會停滯不前；電動汽車沒有固態電池也很可能不會實現大規模的應用。正如我們所知道的那樣，電子工業也很可能不會演變成如今的這個樣子。有些人就古迪納夫能否獲得諾貝爾獎的問題展開討論，有可能是他的工作落在了太多的行業分類上，或者是他的發明成果很大程度上已被商業化。

不論如何，他曾獲得2009年的恩里科·費米獎——美國能源部門授予在能源生產領域科學家的終身成就獎。他還獲得了2013年的美國國家科學獎章，這是由美國總統授予在數學、科學和工程有突出貢獻之人的嘉獎。而這僅僅是他這一生中贏得的無數嘉獎中的少數幾個而已。

在將近40年的時間里，古迪納夫在先進電池的領域上一直占據著重要的地位，很多研究電池的同行都很期望看到他的突破。