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他19岁打二战,58岁发明电池阴极,97岁拿诺奖

10月9日下午,瑞典皇家科学院宣布将2019年度诺贝尔化学奖授予约翰·古迪纳夫(John B. Goodenough)、M·斯坦利·惠廷汉(M. Stanley Whittingham)和吉野彰,以表彰他们在锂离子电池研究领域的成就。

诺贝尔奖官网的一篇文章将3人形容为“他们创造了一个可充电的世界”。三位科学家将共享900万瑞典克朗(约合人民币650万元)的奖金。

现年97岁的古迪纳夫,常常被称作“锂电池之父”,多年来被视为诺贝尔奖的有力竞争者。如今,他已超过去年获得物理学奖的阿瑟·阿什金(时年96岁),成为获奖时年龄最大的诺贝尔奖得主。

在获奖的3人中,古迪纳夫作为这一领域的最大贡献者,其人生也充满了传奇色彩。

1922年7月25日,古迪纳夫出生在书香门第,父亲是耶鲁教授,兄弟姐妹也都在学术圈工作。不幸的是父母关系恶劣,殃及池鱼,12岁的古迪纳夫被“抛弃”,被送去读寄宿学校。因此古迪纳夫和父母关系非常冷淡,几乎从来不提他们。他在中学似乎也并不好好读书,不过最终还是去了耶鲁念数学,毕业成绩优异。

1941年12月7日,珍珠港事件爆发,古迪纳夫主动申请服役,直到三年后,才回到耶鲁大学继续完成了他的本科学业。毕业之后,他继续远赴欧洲战场参加第二次世界大战,以气象师的身份在美国陆军航空部队服役,传言还参加过诺曼底登陆。

战后,古迪纳夫作为一名陆军上尉驻扎在葡萄牙。这个时候幸运之神敲门,一份电报过来,让他48小时之内回到华盛顿报道。原来政府有一笔没花完的钱,要用来送21名军人去念研究生,一个耶鲁教授推荐了他。于是,古迪纳夫来到芝加哥大学念物理,虽然他本科压根就没有修过科学课程。那一年他24岁。

芝加哥大学物理系那个年代高人满座,大师云集,包括费米和泰勒,当然还有跟着泰勒念博士的杨振宁。年轻的古迪纳夫上课的时候,一个教授问他, 我真不知道你来干嘛!但凡在物理上做出点什么名堂的人,在你这把年纪早就已经做出来了。

不过古迪纳夫好歹还是从芝加哥大学物理博士毕业了,之后去了林肯实验室,在美国空军资助下研究防空系统所用到的存储元件。这期间他发现了磁性材料中所谓的古迪纳夫-Kanamori准则,描述原子间自旋的相互作用。

到了六七十年代,石油危机引发广泛关注,古迪纳夫开始将注意力转向能源存储。可是能源领域的研究属于美国能源部的范畴,和空军无关,老爷子也碰到了经费问题。幸运之神这时再次敲门,牛津大学要在无机化学方向找个教授,古迪纳夫被选中了,虽然他只修过两门大学本科化学课。

到了牛津,古迪纳夫因严厉而声名远扬。他教的一门物理课第一堂来了165个学生,教室里面水泄不通。等到第二堂的时候,只回来了8个学生,大家都被他吓跑了。

古迪纳夫在牛津大学工作期间,美国科学家惠廷汉发现了一种能量极其丰富的材料,他用这种材料在锂电池中创造了一种新型的正极——由二硫化钛制成,负极则由金属锂制成。这种电压只有两伏多一点的锂电池虽然具有巨大的潜力,但是电池极易爆炸。

由于在林肯实验室工作期间,古迪纳夫接触到了一些能源材料,研究了锂离子的移动。又赶上美国受到阿拉伯国家石油禁运的影响,能源问题日益突出,古迪纳夫遂投身锂电池的研究。

他认为用金属氧化物做阴极,可以解决二硫化钛的问题,而且电压更高,能量密度更大。

在牛津,古迪纳夫找了两博士后,搜寻合适的金属氧化物,能嵌入析出更多的锂离子而保持结构稳定。1980年,他们找到了神奇的层状氧化钴锂,发明了锂电池中最重要的部件,钴氧化物阴极,现在全世界的便携电子设备都采用这种阴极。这一年,老爷子已经58岁,真可谓大器晚成。当然他在此之前,已经在磁性材料领域做出了杰出贡献。

在古迪纳夫发现钴酸锂适合作为阴极材料,已降低已存锂离子电池(由金属锂做阴极材料)的安全隐患后,致力于研究阳极材料的日本教授吉野彰采用了这一发现,先是以聚乙炔后以碳基材料为阳极,在电池中消除金属锂,使用含锂化合物,确立了现代锂离子电池的基本框架。

1991年,索尼基于古迪纳夫等人的研究推出了世界第一个商用锂电池,最初是用于相机,慢慢就无所不在了。不过当初谁也没有预料到锂电池有如此大的造化,牛津大学拒绝为此申请专利,想必肠子都悔青了,老爷子在这里面没有捞到半点经济实惠。

不过老爷子的使命尚未结束。自他发现氧化钴锂后,又先后发现了锰基尖晶石和磷酸铁锂。30多年过去了,锂电池驱动的电动汽车还是难以与内燃机车竞争,可再生能源的电池存储也面临巨大的挑战,他希望研发出更好的更高级的电池。

“据我所知,他每天都还在去实验室。他是个了不起的人,他对这一领域非常着迷。”诺贝尔化学委员会成员拉姆斯特伦(Olof Ramstrm)说道。现年97岁高龄的古迪纳夫,每天仍然在做实验。

他正在研制一种真正能让电动汽车和内燃机汽车匹敌的“超级电池”,并希望这种电池可以经济地存储风能和太阳能。他的研究方向涉及电池科学领域里最难的问题之一:如何用纯锂或者钠制作电池阳极?

2017年2月,古迪纳夫公布了新一代电池技术:能量密度是当前锂电池3倍,且安全系数更高的全新固态电池。他表示,他和研究团队正在准备给这款新型固态电池申请专利,并计划与电池生产厂商合作,开发和测试为电动汽车和能源存储装置提供的新型电池。

目前,古迪纳夫仍在继续从事能源方面的研究。去年,他在接受外媒采访时表示,“我想解决汽车的问题。我想让汽车尾气从全世界的高速公路上消失。我希望我死之前能看到这一天。我今年96岁,还有时间。”

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