97岁获得诺奖,他还想第二次改变世界

Lens 2019-10-10 07:53:43

三位推动锂电池发展的科学家,今天获得了诺贝尔化学奖。

他们分别是美籍科学家约翰·古迪纳夫(John B. Goodenough)、英籍科学家斯坦利·威廷汉(Stanley Whittingham)和日籍科学家吉野彰(Akira Yoshino)。

英国皇家学会主席文基·拉马克里希南评价说:“古迪纳夫在材料科学领域的贡献从根本上改变了我们今天认为理所当然的技术。从为你口袋里的智能手机供电,到他对磁性的定义,这些贡献为科研和工程开辟了新的途径。他为锂离子电池开发的阴极是在他的同事威廷汉教授的研究基础上建立起来的,而吉野彰教授的研究使其在商业上变得可行。”

诺贝尔奖官方声明写道:“他们为一个无线、无化石燃料社会创造了适当的条件,从而为人类带来了最大的利益。”

没有这些技术,就没有现在这些便捷的智能手机、笔记本电脑,以及正在开启的电动汽车的时代。

古迪纳夫

其中,古迪纳夫教授今年已经97岁,成为年龄最大的诺奖获得者。

截止发稿,诺奖工作人员还没联系上他。今天他在伦敦领取英国皇家学会的科普利奖章——世界上最古老的科学奖章。

实验室里的古迪纳夫。今年,他又发表了新论文。

古迪纳夫想通过电池的研究,来改变人类对化石燃料的依赖。

他说,在毁灭性的能源危机和环境问题来临之前,我们还有30年的时间研发新电池并使之商业化。

“这就是我去世之前要做的事情——留下一个更清洁,更美好的世界。”

01

“输”在起跑线上

古迪纳夫的童年并不美妙。

他曾在自传中提到了几段重要的关系:兄弟姐妹,一只狗,一位家庭佣人,以前的邻居。这份名单里没有他的父母。

孤独的他甚至一度患上了阅读障碍,喜欢跑进丛林里,看上一整天的动植物。他喜欢抓蝴蝶和土拨鼠,曾经因为扒了一只臭鼬的皮而被禁止上桌吃饭。

上大学前,父母离异了。耶鲁大学的录取通知书对古迪纳夫是一种解脱。

出发前,父亲只给了35美元,而一年的学费就要900美元。但他决定不再依赖家里,而是通过给富家子弟做家教来养活自己。

在耶鲁,古迪纳夫度过了一段略显混乱的探索期。

他先后修了四个专业的课程,入学时读古典文学,毕业时拿的是数学学士学位。中途还转去过哲学系,为了凑学分学过2门化学课。

服役时期的古迪纳夫

毕业后赶上“二战”。古迪纳夫本想加入海军陆战队,但被数学老师阻止了。他被派到一个海岛上测量气象数据。

战争结束后,依靠对退伍军人的补贴,他获得奖学金,准备去芝加哥大学学习物理。

为了赶上别人,这个大龄学生不得不注册初级本科课程,一位教授对此嗤之以鼻:“在你这个年纪,那些物理巨匠们都已经荣誉等身了”。

考物理学研究生时,第一次挂了,又考了一次才过。

他的导师是“齐纳二极管”的发明者齐纳,后者对他说:“现在你面临两个问题:一是找到一个问题,二是把它解决掉。祝你好运”。

古迪纳夫选择了凝聚态材料,终生没有再离开。

02

“我当时也不知道它会这么值钱,

我只知道这是我应该去做的事”

1976年,古迪纳夫成为牛津大学无机化学实验室主任。

同一年,埃克森美孚申请了锂电池发明专利。它比其他电池更能储电,但也有一个致命的缺陷:容易起火爆炸。

牛津大学时期的古迪纳夫

当时,一家叫作Moli Energy的公司造出了一款使用锂金属作为电极的锂电池,结果问世后不到半年,这种电池就因为安全问题被全球召回。

日本公司NEC收购了一蹶不振Moli Energy,立即投入了巨大的人力物力对那款失败产品进行研究。他们发现,锂电池易燃的症结,出在使用金属锂上。

Moli Energy制造的锂电池

金属锂的表面容易形成枝晶——从锂金属表面生长出的“小树枝”,它们神出鬼没,难以被完全消除。这些枝晶会在电池使用过程中越长越大。如果有一天,它大到刺破了正负极之间的隔膜,就极易引发安全事故。

而且金属锂的化学性质太过活泼,极易燃,它们稍微与空气一接触,就可能酿成大祸。

对锂金属进行改良的难度太大,必须找到一种新材料替代金属锂。

锂表面的枝晶

古迪纳夫研究的新材料就在这时恰如其分地出现了。

他研究的新材料叫作钴酸锂。

找到这种材料时,他已经57岁了。

钴酸锂晶体结构

在钴酸锂的晶体结构中,锂原子被压在钴原子和氧原子构成的两道平板之间。由于结构特殊,锂原子可以被轻易地单独提取出来,提供电池正极所需的锂离子。

这个发明极大解决了原有锂电池的两大死穴。钴酸锂的化学性质很稳定,不会一接触空气就易燃易爆炸;虽然没能完全杜绝,但钴酸锂表面产生枝晶的概率已经小了很多。

不过,因为之前的事故,这个成果没有被牛津重视,专利被送给了一个政府实验室,后来又被索尼买走。

古迪纳夫没有拿到专利的钱,他说,“反正我做这个的时候也不知道它会这么值钱。我只知道这就是我应该去做的事。”

发现钴酸锂后第三年,古迪纳夫(前排左二)与牛津同事的合影

索尼公司很快研发出一款可充电的锂离子电池。

钴酸锂电池虽然安全性能大幅提高,但还是有不足之处:

(1)它太贵了。钴产量不高,还是重要的战略资源,拿来做电池成本太高。

(2)使用一段时间后,电池的性能会衰减。因为锂离子被从两层之间提取出来后,崩塌的钴酸锂晶体就无法再存储锂离子了。

在发现钴酸锂之后的几年里,古迪纳夫又接连发现了好几种实用的好材料。

1983年,古迪纳夫和他的学生发现了锰尖晶石是优良的阳极材料,因为氧化性很低,它就算出现了短路也不会燃烧或爆炸。

1989年,他又和同伴发现,使用聚电解质类材料(如硫酸盐)能让阳极产生更高的电压。

磷酸铁锂晶体结构

1997年,已经75岁的古迪纳夫又拿出新成果:磷酸铁锂。它的晶体结构比钴酸锂更稳定;使用的元素——磷和铁——比钴更便宜易得;它的使用寿命更长,用过2000次之后,容量还能维持在80%以上,而钴酸锂电池的使用寿命只有500-800次;它还比钴酸锂充电更快,工作温度范围更广。

但是枝晶这个技术难题仍然没能彻底解决。在90岁那年,古迪纳夫产生了一个新的构想:全固态电池。如今,这项研究已经取得了初步的成果。

2013年,古迪纳夫获得美国国家科学奖章

03

没想过改变世界,

只是因为有好奇心

锂电池的潜力远远超出了发明者的想象。

2年前在接受《时代》采访时,古迪纳夫说:“在我开发电池的时候,我还不知道电气工程师会怎么处理电池。我真的没料到会有手机、摄像机和其他东西。”

是的,如今我们使用的每一部手机、每一台笔记本电脑、每一块电子手表,和其他各种可充电的电子产品,都装载着锂离子电池。也正是因为后来的不断革新,近些年风头正盛的电动车等设备才成为可能。

伦敦大学学院的材料学家Mark Miodownik说:“锂电池是最具影响力的材料科学之一。同样值得注意的是,尽管它们已经有30年的历史了,但直到现在,这项技术仍然没有黯然失色。”

因此,锂离子电池的研究拿到诺贝尔奖,似乎早就是板上钉钉的事。最近几年里,每年颁奖前,3位科学家都是这一奖项的大热候选。但是等了一年又一年,还是没有轮到他们。

今天,当三位科学家终于获奖的消息传出,很多同行都说,“终于被认可了!”“奖项来得太迟了。”

在发布会上,有记者特意问瑞典皇家科学院秘书长汉森,当诺奖工作人员打电话通知3位科学家时,有没有哪位说出了“终于”这个词。答案是没有。

与古迪纳夫分享诺奖的吉野彰。值得一提的是,包括吉野彰在内,已经有27名日本或日本裔学者获得诺贝尔奖。新世纪以来,已是19年19人。对于日本在诺奖上的“井喷”现象,有分析认为,这和日本对教育的重视有关。日元上印的人物,是教育家、文学家和科学家。他们在教育中也很看重从小激励和保护孩子的好奇心。

吉野彰是个话少的人,接到诺奖电话后,他只简单地说,这个研究他做了4年,现在自己很高兴。

有记者问吉野彰:“您做这个研究是为了造福人类,还是为了赚钱?”吉野彰说,都不是,他做研究只是因为有“好奇心”。

因为牛津大学有65岁强制退休的政策,所以,古迪纳夫在64岁那年转去了得克萨斯大学奥斯汀分校。

“他有着惊人的头脑,百科全书般的知识储备。他既有天赋,又有对人类做出积极贡献的热情。他是个很有原则的人。”古迪纳夫的学生比尔·大卫回忆说。

古迪纳夫95岁生日,学生们为他庆生。

96岁时,古迪纳夫表达过两个愿望:首先,他希望能活到最后一个博士生获得博士学位,所以他不会再接收4年的博士生。其次,他希望自己能活着看到他的研究第二次改变世界。

他正在研制一种希望能够存储风能和太阳能的超级电池,要足以让电动汽车和内燃机汽车真正匹敌。

业界对他很有信心,这倒不仅仅因为他是个“老权威”,恰恰是因为“他仍然很敏锐,思想仍然在突破”。

他说,每个人都应该不断地去尝试突破。

现在,97岁的他仍然精力充沛,差不多还是每天都去实验室。

多么好。

就像古迪纳夫这个姓一样——

Goodenough。

阅读原文:「链接」

古迪纳夫爱笑,他的笑声很有穿透力和感染力,几个教室外就能听到。

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作者Lens
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