今天，2019年諾貝爾化學獎授予美國固體物理學家約翰·巴尼斯特·古迪納夫（John B. Goodenough）、英裔美國化學家斯坦利·威廷漢（Stanley Whittingham）和日本化學家吉野彰（Akira Yoshino），以表彰他們發(fā)明鋰離子電池方面做出的貢獻。三位科學家將平分諾獎獎金。
約翰·巴尼斯特·古迪納夫（John B. Goodenough），美國固體物理學家，因為發(fā)明可充電鋰離子電池而聞名于世。1979年古迪納夫發(fā)現(xiàn)，將鈷酸鋰（LiCoO2）作為電池的陰極，將除鋰之外的金屬材料作為陽極，能夠實現(xiàn)高密度的能量儲存。這一發(fā)現(xiàn)為鋰離子電池的發(fā)展鋪平了道路，促成了可充電鋰離子電池的廣泛應用。1983年，古迪納夫、M.Thackeray等人發(fā)現(xiàn)錳尖晶石是優(yōu)良的電池陽極材料。錳尖晶石具有低價、穩(wěn)定和優(yōu)良的導電、導鋰性能。其分解溫度高，且氧化性遠低于鈷酸鋰，即使出現(xiàn)短路、過充電，也能夠避免了燃燒、爆炸的危險。1989年，古迪納夫、A.Manthiram發(fā)現(xiàn)采用聚電解質(zhì)（例如，硫酸鹽）的陽極將產(chǎn)生更高的電壓，原因是聚電解質(zhì)的電磁感應效應。此外，他還與日本學者金森順次郎共同提出“古迪納夫-金森法則”（Goodenough-Kanamori rules）。
古迪納夫1922年7月出生于德國，現(xiàn)年97歲。他于1943年獲得耶魯大學數(shù)學學士學位，隨后于1951年和1952年在芝加哥大學獲得物理學碩士和博士學位。他的職業(yè)生涯始于麻省理工學院的林肯實驗室，在那里他為數(shù)字計算機的隨機存取存儲器（RAM）的開發(fā)奠定了基礎。離開麻省理工學院后，他于1976年至1986年加入牛津大學擔任教授和無機化學實驗室負責人。正是在這段時間里，古迪納夫發(fā)明了鋰電池。離開牛津大學后，他加入美國得州大學奧斯汀分校，現(xiàn)任該校機械工程和材料科學教授。
斯坦利·威廷漢（Stanley Whittingham），英裔美國化學家，現(xiàn)任紐約州立大學石溪分?；瘜W系杰出教授，紐約州立大學賓厄姆頓分?；瘜W教授、材料研究和材料科學與工程研究所主任、紐約電池和儲能聯(lián)合會（NYBEST）董事會副主席。2015年，威廷漢因在鋰離子電池領域的開創(chuàng)性研究獲得科睿維安化學領域引文桂冠獎。2018年因將插層化學應用在儲能材料上的開創(chuàng)性貢獻，當選美國國家工程院院士。
威廷漢1941年出生于英國，1968年在牛津大學取得博士學位。他的研究興趣主要在于尋找能夠推進儲能的新材料，以顯著提高電化學裝置的儲存能力。近年來，他的研究集中在新型無機氧化物材料的制備及其化學和物理性質(zhì)。最近，他的課題組發(fā)現(xiàn)了單相反應在電池電極放電中的關鍵作用。
吉野彰（Yoshino Akira），日本化學家，現(xiàn)代鋰離子電池（LIB）的發(fā)明者，曾獲得工程學界最高榮譽全球能源獎與查爾斯·斯塔克·德雷珀獎。1983年，吉野運用鈷酸鋰（LiCoO2；鋰和氧化鈷的化合物，由約翰·B·古迪納夫、水島公一等人發(fā)現(xiàn)）開發(fā)陰極，運用聚乙炔開發(fā)陽極，在1983年制出世界第一個可充電鋰離子電池的原型。1985年克服諸多技術問題，徹底消除金屬鋰，確立了可充電含鋰堿性鋰離子電池（LIB）的基本概念，并取得日本注冊專利。吉野彰的鋰電池突破以往鎳氫電池的技術限制，開啟了行動電子設備的革命。由于極高的安全性、穩(wěn)定的能量輸出以及合理的價格，鋰離子電池最終于1991年由SONY首次商業(yè)化。2014年，美國國家工程院公認約翰·B·古迪納夫、西義郎、Rachid Yazami和吉野彰為現(xiàn)代鋰離子電池所做的先驅性和領先性的基礎工作。
吉野彰1948年1月出生于日本大阪。1970年從京都大學工學部石油化學科畢業(yè)，1972年獲京都大學工學碩士學位，2005年獲大阪大學工學博士學位。1972年吉野進入旭化成工業(yè)株式會社（現(xiàn)·旭化成株式會社），1994年擔任AT&T技術開發(fā)部長，1997年擔任旭化成（株）離子二次電池事業(yè)推進室室長，2003年升任旭化成Fellow。2005年至今擔任旭化成（株）吉野研究室室長。
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”。
撰文 Steve LeVine
編譯 代宇輝 徐付琪 張士超
回顧過去六七十年間的科技飛躍：脊髓灰質(zhì)炎疫苗，宇宙飛船，阿帕網(wǎng)（互聯(lián)網(wǎng)前身）等等。除了這些，還有兩項發(fā)明對經(jīng)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(xiàn)改變了電子產(chǎn)品，奠定了全球經(jīng)濟和現(xiàn)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(chǎn)鋰電池，隨后鋰電池產(chǎn)品逐漸取代了依賴晶體管的笨重電子設備。
和晶體管不同的是，盡管許多人都認為鋰電池應該獲諾貝爾獎，它的發(fā)明者遲遲沒有得到諾獎的垂青。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(xiàn)在閱讀這篇文章所用的設備。當然也不會出現(xiàn)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?，F(xiàn)在全世界的便攜電子設備都采用這種陰極。
現(xiàn)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(nèi)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(xiàn)在石油價格低廉，但根據(jù)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?！?/span>
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?！?/span>
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(chǎn)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(zhì)溶液作為離子移動的介質(zhì)。帯負電的電極為陽極，帯正電為陰極。當電池放電（如為電器供電）時陽離子從陽極到陰極運動產(chǎn)生電流。可充電電池在外接電源充電的過程中，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(zhì)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(nèi)燃機汽車。內(nèi)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(nèi)燃機逐漸占據(jù)優(yōu)勢。幾十年來，很少人認為電動汽車會取代內(nèi)燃機汽車。
商業(yè)創(chuàng)新使用電能替代內(nèi)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(xiàn)代電池發(fā)展中幾乎所有的主要成果。
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(xiàn)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?？松梨谘?Whittingham，依據(jù)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(chǎn)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(jù)他判斷，氧化物電極允許更高電壓的充放電。根據(jù)物理學定律，可以儲存更多能量而且不易爆炸。這值得一試。
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 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(xiàn)鈷氧化物是最好最穩(wěn)定的材料。
Goodenough（前排左二）與同事合影，攝于1982年牛津大學。
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(zhì)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(chǎn)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(shù)十億美元的產(chǎn)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(xiàn)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(jīng)過檢查，Goodenough 發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(nèi)普遍認為所有的技術都源于 Goodenough 的實驗室。
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(nèi)燃機汽車匹敵的超級電池，并希望這種電池可以經(jīng)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(xiàn)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(jīng)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(xiàn)在就職于美國阿貢國家實驗室、曾在 Goodenough 的指導下發(fā)現(xiàn)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(xiàn)。Goodenough 就是那種打破常規(guī)的人。”
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(chǎn)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(chǎn)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。”
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?！?/span>
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。
Goodenough 在德州大學奧斯汀分校的實驗室中
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http://qz.com/338767/the-man-who-brought-us-the-lithium-ion-battery-at-57-has-an-idea-for-a-new-one-at-92/
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