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昔日二战老兵,54岁半路出家终在97岁获诺奖!手机之后,他能否成就新的电动车电池?

 一丁书屋311 2019-10-10



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。


视频丨古德纳夫得知自己获奖,他也在获奖后的一份声明中表示:“Live to 97 (years old) and you can do anything.”

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。

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。

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。

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患上了阅读障碍,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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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!

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)

-End-

责编:黄珊
参考:

https://www./prizes/chemistry/2019/press-release/?utm_source=twitter&utm_medium=social&utm_campaign=twitter_tweet

https:///338767/the-man-who-brought-us-the-lithium-ion-battery-at-57-has-an-idea-for-a-new-one-at-92/

https://en.m./wiki/Clarence_Zener

https://zhuanlan.zhihu.com/p/29796312

https://www./uploads/2019/10/advanced-chemistryprize2019.pdf

http://www./index/business/chuangtou/4128.html

https://www./news/john-bannister-goodenough-inventor-lithium-cobalt-oxide-cathode/

http://www.xinhuanet.com/world/2019-10/09/c_1125084479.htm

http://alcalde./2015/07/the-inventor/

https://en./wiki/Dyslexia

https://www./news/john-bannister-goodenough-inventor-lithium-cobalt-oxide-cathode/

https://en.m./wiki/Erwin_Ramsdell_Goodenough

https:///2017/03/20/open-letter-john-goodenough-deserves-nobel-prize/

https://www.ll./about/history/sage-semi-automatic-ground-environment-air-defense-system

https://edition./2019/10/09/us/john-goodenough-nobel-prize-trnd/index.html

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