没有他就没有移动, 97岁二战老兵终获诺奖 | 锂电池深度解析

Original 知社知社学术圈 2022-04-16

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知社学术圈斯德哥尔摩快讯，北京时间10月9日下午5点45分，瑞典皇家科学院宣布将2019年诺贝尔化学奖授予美国德州大学奥斯汀分校的 John B. Goodenough 教授，纽约州立大学Binghamton分校的 M. Stanley Whittingham 教授，以及日本旭化成公司化学家 Akira Yoshino，以表彰其在锂电池研究开发的卓越贡献。97岁的二战老兵Goodenough也成为史上最年长的诺奖得主。

为什么是锂电池？为什么是老爷子？有什么八卦？请看知社火线报道、独家秘闻、以及学界美誉。

2019年诺贝尔化学奖得主

John B Goodenough，美国德州大学奥斯汀分校机械工程系教授，锂电池之父，美国科学院和工程院两院院士，曾获2001年 Japan Prize，2009年 Fermi Award，2011年美国国家科学奖章和2014年Charles Stark Draper Prize。老爷子出生于1922年7月25日，二战老兵，本科毕业于耶鲁大学数学系，芝加哥大学物理博士，杨振宁先生的同学。如今以97岁高龄，仍然坚持研究工作，寻找下一个超级电池。

M. Stanley Whittingham，纽约州立大学Binghamton 分校化学和材料科学与工程教授，锂电池研究先驱。1941年出生，本科、硕士和博士均毕业于牛津大学。加入Binghamton之前，长期在石油公司Exxon工作，从事电池研发。

吉野彰 (Akira Yoshino)，1948年生于日本。1972年吉野彰毕业于京都大学大学院工学研究专业。智能手机和电动汽车使用的锂离子电池的开发者、旭化成公司研究员，旭化成株式会社吉野研究室室长，还是京都大学大学院工学研究专业特命教授。

为什么是锂电池？

为什么是锂电池得奖？相信很多人会有这样的疑问。要回答这个问题，有必要先看看诺贝尔的遗嘱：

The said interest shall be divided into five equal parts, /- - -/ one part to the person who shall have made the most important chemical discovery or improvement ...

也就是说，诺贝尔化学奖应该授予做出最重要化学工作的人。锂电池是这样的一个发现么？请各位扪心自问，一天有多少时间花在手机上、微信上？没有锂电池，这一切很难想象！

从商务到休闲，从阅读到游戏，老爷子的锂电池让您的移动生活成为可能！

在走进老爷子的世界之前，让我们先退一步，回想过去六七十年最重要的一些技术发明和进步。不管您是穆斯林还是基督徒，信奉释迦牟尼还是老庄，您是否注意到，有两样东西如今无所不在，对社会和经济产生巨大的冲击，彻底改变了人们的工作和生活？第一个是三极管，贝尔实验室的产物，开辟了电子时代，催生了Intel和Microsoft，促成了信息革命，并且早在1956年就获得诺贝尔奖。第二个就是锂电池！是它给三极管插上了翅膀，让您的移动生活和工作成为可能。没有它就没有笔记本电脑、智能手机和平板；没有它就没有苹果的重生、没有三星、没有特斯拉；没有它就没有微信的兴起、没有知社学术圈，当然也就没有各式各样的自媒体。

咱终于也和诺贝尔奖亲密接触一次啦！现在知道，为什么要把诺贝尔奖给锂电池了么？那锂电池和Goodenough老爷子，又有什么渊源呢？

为什么给老爷子？

在走近锂电池的前生后世之前，让我们先八卦一点老先生的花絮。古老爷子在家排行老二，可以说是出生在书香门第，老爸是耶鲁教授，兄弟姐妹也都在学术圈混。不幸的是父母关系恶劣，殃及池鱼，12岁就把他送去读寄宿学校。因此Goodenough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。Goodenough的家庭背景和孩童时代成长经历，看起来和知社学术圈前段介绍的LIGO之父 Weiss有很大的类似性。

大学毕业之后Goodenough去当兵，远赴欧洲战场打第二次世界大战，传言还参加过诺曼底登陆。战后他驻扎在葡萄牙，做陆军上尉。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 Goodenough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Goodenoguh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：

I don’t understand you veterans. Don’t you know that anyone who has ever done anything significant in physics has already done it by the time he was your age?

这话简直是一语成谶：杨老非常年轻的时候就得了诺贝尔，古老90多岁了才得到他应得的荣誉，还不是物理的。

不过Goodenough好歹还是从芝加哥大学物理博士毕业了，之后去了MIT Lincoln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Goodenough-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，Goodenough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，Goodenough被选中了，虽然他只修过两门大学本科化学课。到了牛津，Goodenough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。

回到锂电池的缘起，还得从上个世纪的石油危机说起。在二十世纪初汽车刚刚出现的时候，电动汽车其实大行其道，但最终被汽油车所淘汰。到了上世纪70年代，爆发世界能源危机，石油供给短缺，促使大家开始重新关注电动车，这样曾经显得很乏味的电池，开始引起人们的重视。这个时候 Goodenough刚刚从麻省理工学院跳槽到牛津，而另一个锂电池先驱Whittingham则刚从斯坦福去石油巨头 Exxon工作。

最初的电动汽车用的是铅酸电池，19世纪中期发明的。1966年，福特汽车公司推出了新型的NaS电池，S做阴极Na做阳极，较铅酸电池轻而且能量密度高。听起来是不错，只是其工作温度高达300摄氏度，而Na在98度就融化，遇见空气就着火，显然安全很成问题。尽管如此，福特声称NaS电池汽车可以跑200英里，充电只需要一个小时，即便今天，这也是有吸引力的。于是当时大伙都涌向电池，研究热度和今天有一拼。

Whittingham 1968年毕业后在斯坦福做了几年博后，发现锂离子可以在层状材料TiS2可逆的嵌入析出，适合做电池阴极，在室温下就能工作，重量也轻，引起了很大的反响。1972年，Exxon 把他挖了过去，用TiS2 和 Li金属做电极，开发出世界上第一个锂电池，1976年获得专利。这是一个极大的进步，锂电池轻巧而且高能，移动电子出现曙光。不过这个电池极不实用，价格昂贵，也有很大的安全隐患。Exxon 最终放弃了这个项目。

这个时候， Goodenough 老先生出手了，他预感用金属氧化物做阴极，可以解决TiS2的问题，而且电压更高，能量密度更大。在牛津，他找了两博士后，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LiCoO2，也是层状的，就是下面这个结构。几乎可以肯定，它就在你的手机和电脑里。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。电化学当时对他而言，属于玩票性质。

Goodenough这项发现，从实验室到商业市场，还是经过了10余年的时间。1991年，索尼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Goodenough并没有止步于此。LiCoO2的层状结构使锂离子输运限于二维平面，因此他和他的博士后们希望寻找新的电极材料，通过锂离子的三维输运，提升电池倍率性能。1982他们就发现了尖晶石结构的LiMn2O4，较LiCoO2更为安全便宜。1986年，Goodenough回到美国，到德克萨斯大学继续从事电池研究。到了1993年，日本电讯（NTT）将Shigeto Osada送到他的实验室，和他的博士后Akshaya Padhi继续寻找更好的尖晶石结构电极。这一搜寻及其艰苦，Co, Mn, V等一系列元素均不理想。最后只剩下Fe和P的组合。Goodenough对这一组合的尖晶石结构持怀疑态度，而Padhi证实了他的猜测，得到了橄榄树结构的LiFePO4，性能超群！继LiCoO2和LiMn2O4之后，Goodenough研究组发现了第三个明星电极。

可是，Goodenough不知道的是，Osada已经偷偷把这一结果向NTT汇报，而NTT则迅速开始推进工作，并在1995年11月悄悄地申请了专利。等到1996年Goodenough得知这一消息的时候，非常愤怒：他是一个间谍，老爷子对Padhi吼道，赶紧把你所做的实验都记录下来！随后德克萨斯大学将NTT告上了法庭，价值5亿美金。这样的实验记录对其后的专利大战至关重要。

还嫌不够乱，麻省理工学院材料系的华人教授Yet-Ming Chiang也加入战局，申请了自己的专利，并创办了电池公司A123，发展基于LiFePO4的动力电池。知识产权的三国大战精彩纷呈，到2008年，A123成功游说欧洲法庭取消了Goodenough的专利，LiFePO4技术一下子变得对所有人都免费。比亚迪推出了LiFePO4的电动汽车，更吸引了Warren Buffett花费 2亿3千万美金收购其10%的股份。而A123在2009年上市，融资将近6亿美金。这是Yet-Ming Chiang教授第三个上市公司，MIT的创新能力可见一斑！不过A123在2012年宣布破产！最终，NTT与德州大学庭外和解，向其支付3千万美金以及今后销售的一些利润。

不过老爷子的使命尚未结束。自他发现LiCoO2，30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。这个世界仍然需要下一个超级电池解决这些问题，而Goodenough觉得他还有下一个好的主意，“我要在洗手不干之前解决这些问题。我只有92岁，还有一些时间。”