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97歲獲得諾獎,他還想第二次改變世界

導語

古迪納夫想通過電池的研究,來改變人類對化石燃料的依賴。

文章轉載自:WeLens

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原創:WeLens

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三位推動鋰電池發展的科學家,今天獲得了諾貝爾化學獎。

他們分別是美籍科學家約翰·古迪納夫(John B. Goodenough)、英籍科學家斯坦利·威廷漢(Stanley Whittingham)和日籍科學家吉野彰(Akira Yoshino)。

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英國皇家學會主席文基·拉馬克里希南評價說:“古迪納夫在材料科學領域的貢獻從根本上改變了我們今天認為理所當然的技術。從為你口袋里的智能手機供電,到他對磁性的定義,這些貢獻為科研和工程開辟了新的途徑。他為鋰離子電池開發的陰極是在他的同事威廷漢教授的研究基礎上建立起來的,而吉野彰教授的研究使其在商業上變得可行。”

諾貝爾獎官方聲明寫道:“他們為一個無線、無化石燃料社會創造了適當的條件,從而為人類帶來了最大的利益。”

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沒有這些技術,就沒有現在這些便捷的智能手機、筆記本電腦,以及正在開啟的電動汽車的時代。

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古迪納夫

 

其中,古迪納夫教授今年已經97歲,成為年齡最大的諾獎獲得者。

 

截止發稿,諾獎工作人員還沒聯系上他。今天他在倫敦領取英國皇家學會的科普利獎章——世界上最古老的科學獎章。

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實驗室里的古迪納夫。今年,他又發表了新論文。

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古迪納夫想通過電池的研究,來改變人類對化石燃料的依賴。

他說,在毀滅性的能源危機和環境問題來臨之前,我們還有30年的時間研發新電池并使之商業化。

“這就是我去世之前要做的事情——留下一個更清潔,更美好的世界。”

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01

“輸”在起跑線上

 

古迪納夫的童年并不美妙。

他曾在自傳中提到了幾段重要的關系:兄弟姐妹,一只狗,一位家庭傭人,以前的鄰居。這份名單里沒有他的父母。

孤獨的他甚至一度患上了閱讀障礙,喜歡跑進叢林里,看上一整天的動植物。他喜歡抓蝴蝶和土撥鼠,曾經因為扒了一只臭鼬的皮而被禁止上桌吃飯。

 

上大學前,父母離異了。耶魯大學的錄取通知書對古迪納夫是一種解脫。

出發前,父親只給了35美元,而一年的學費就要900美元。但他決定不再依賴家里,而是通過給富家子弟做家教來養活自己。

 

在耶魯,古迪納夫度過了一段略顯混亂的探索期。

他先后修了四個專業的課程,入學時讀古典文學,畢業時拿的是數學學士學位。中途還轉去過哲學系,為了湊學分學過2門化學課。

服役時期的古迪納夫

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畢業后趕上“二戰”。古迪納夫本想加入海軍陸戰隊,但被數學老師阻止了。他被派到一個海島上測量氣象數據。

戰爭結束后,依靠對退伍軍人的補貼,他獲得獎學金,準備去芝加哥大學學習物理。

為了趕上別人,這個大齡學生不得不注冊初級本科課程,一位教授對此嗤之以鼻:“在你這個年紀,那些物理巨匠們都已經榮譽等身了”。

 

考物理學研究生時,第一次掛了,又考了一次才過。

他的導師是“齊納二極管”的發明者齊納,后者對他說:“現在你面臨兩個問題:一是找到一個問題,二是把它解決掉。祝你好運”。

古迪納夫選擇了凝聚態材料,終生沒有再離開。

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02

“我當時也不知道它會這么值錢,

我只知道這是我應該去做的事”

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1976年,古迪納夫成為牛津大學無機化學實驗室主任。

同一年,埃克森美孚申請了鋰電池發明專利。它比其他電池更能儲電,但也有一個致命的缺陷:容易起火爆炸。

牛津大學時期的古迪納夫

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當時,一家叫作Moli Energy的公司造出了一款使用鋰金屬作為電極的鋰電池,結果問世后不到半年,這種電池就因為安全問題被全球召回。

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日本公司NEC收購了一蹶不振Moli Energy,立即投入了巨大的人力物力對那款失敗產品進行研究。他們發現,鋰電池易燃的癥結,出在使用金屬鋰上。

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Moli Energy制造的鋰電池

金屬鋰的表面容易形成枝晶——從鋰金屬表面生長出的“小樹枝”,它們神出鬼沒,難以被完全消除。這些枝晶會在電池使用過程中越長越大。如果有一天,它大到刺破了正負極之間的隔膜,就極易引發安全事故。

而且金屬鋰的化學性質太過活潑,極易燃,它們稍微與空氣一接觸,就可能釀成大禍。

對鋰金屬進行改良的難度太大,必須找到一種新材料替代金屬鋰。

鋰表面的枝晶

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古迪納夫研究的新材料就在這時恰如其分地出現了。

他研究的新材料叫作鈷酸鋰。

找到這種材料時,他已經57歲了。

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鈷酸鋰晶體結構

在鈷酸鋰的晶體結構中,鋰原子被壓在鈷原子和氧原子構成的兩道平板之間。由于結構特殊,鋰原子可以被輕易地單獨提取出來,提供電池正極所需的鋰離子。

這個發明極大解決了原有鋰電池的兩大死穴。鈷酸鋰的化學性質很穩定,不會一接觸空氣就易燃易爆炸;雖然沒能完全杜絕,但鈷酸鋰表面產生枝晶的概率已經小了很多。

不過,因為之前的事故,這個成果沒有被牛津重視,專利被送給了一個政府實驗室,后來又被索尼買走。

古迪納夫沒有拿到專利的錢,他說,“反正我做這個的時候也不知道它會這么值錢。我只知道這就是我應該去做的事。”

發現鈷酸鋰后第三年,古迪納夫(前排左二)與牛津同事的合影

索尼公司很快研發出一款可充電的鋰離子電池。

鈷酸鋰電池雖然安全性能大幅提高,但還是有不足之處:

(1)它太貴了。鈷產量不高,還是重要的戰略資源,拿來做電池成本太高。

(2)使用一段時間后,電池的性能會衰減。因為鋰離子被從兩層之間提取出來后,崩塌的鈷酸鋰晶體就無法再存儲鋰離子了。

在發現鈷酸鋰之后的幾年里,古迪納夫又接連發現了好幾種實用的好材料。

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1983年,古迪納夫和他的學生發現了錳尖晶石是優良的陽極材料,因為氧化性很低,它就算出現了短路也不會燃燒或爆炸。

1989年,他又和同伴發現,使用聚電解質類材料(如硫酸鹽)能讓陽極產生更高的電壓。

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磷酸鐵鋰晶體結構

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1997年,已經75歲的古迪納夫又拿出新成果:磷酸鐵鋰。它的晶體結構比鈷酸鋰更穩定;使用的元素——磷和鐵——比鈷更便宜易得;它的使用壽命更長,用過2000次之后,容量還能維持在80%以上,而鈷酸鋰電池的使用壽命只有500-800次;它還比鈷酸鋰充電更快,工作溫度范圍更廣。

但是枝晶這個技術難題仍然沒能徹底解決。在90歲那年,古迪納夫產生了一個新的構想:全固態電池。如今,這項研究已經取得了初步的成果。

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2013年,古迪納夫獲得美國國家科學獎章

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03

沒想過改變世界,

只是因為有好奇心

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鋰電池的潛力遠遠超出了發明者的想象。

2年前在接受《時代》采訪時,古迪納夫說:“在我開發電池的時候,我還不知道電氣工程師會怎么處理電池。我真的沒料到會有手機、攝像機和其他東西。”

是的,如今我們使用的每一部手機、每一臺筆記本電腦、每一塊電子手表,和其他各種可充電的電子產品,都裝載著鋰離子電池。也正是因為后來的不斷革新,近些年風頭正盛的電動車等設備才成為可能。

倫敦大學學院的材料學家Mark Miodownik說:“鋰電池是最具影響力的材料科學之一。同樣值得注意的是,盡管它們已經有30年的歷史了,但直到現在,這項技術仍然沒有黯然失色。”

因此,鋰離子電池的研究拿到諾貝爾獎,似乎早就是板上釘釘的事。最近幾年里,每年頒獎前,3位科學家都是這一獎項的大熱候選。但是等了一年又一年,還是沒有輪到他們。

今天,當三位科學家終于獲獎的消息傳出,很多同行都說,“終于被認可了!”“獎項來得太遲了。”

在發布會上,有記者特意問瑞典皇家科學院秘書長漢森,當諾獎工作人員打電話通知3位科學家時,有沒有哪位說出了“終于”這個詞。答案是沒有。

與古迪納夫分享諾獎的吉野彰。值得一提的是,包括吉野彰在內,已經有27名日本或日本裔學者獲得諾貝爾獎。新世紀以來,已是19年19人。對于日本在諾獎上的“井噴”現象,有分析認為,這和日本對教育的重視有關。日元上印的人物,是教育家、文學家和科學家。他們在教育中也很看重從小激勵和保護孩子的好奇心。
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吉野彰是個話少的人,接到諾獎電話后,他只簡單地說,這個研究他做了4年,現在自己很高興。

有記者問吉野彰:“您做這個研究是為了造福人類,還是為了賺錢?”吉野彰說,都不是,他做研究只是因為有“好奇心”。

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因為牛津大學有65歲強制退休的政策,所以,古迪納夫在64歲那年轉去了得克薩斯大學奧斯汀分校。

 

“他有著驚人的頭腦,百科全書般的知識儲備。他既有天賦,又有對人類做出積極貢獻的熱情。他是個很有原則的人。”古迪納夫的學生比爾·大衛回憶說。

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古迪納夫95歲生日,學生們為他慶生。

96歲時,古迪納夫表達過兩個愿望:首先,他希望能活到最后一個博士生獲得博士學位,所以他不會再接收4年的博士生。其次,他希望自己能活著看到他的研究第二次改變世界。

 

他正在研制一種希望能夠存儲風能和太陽能的超級電池,要足以讓電動汽車和內燃機汽車真正匹敵。

業界對他很有信心,這倒不僅僅因為他是個“老權威”,恰恰是因為“他仍然很敏銳,思想仍然在突破”。

他說,每個人都應該不斷地去嘗試突破。

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現在,97歲的他仍然精力充沛,差不多還是每天都去實驗室。

多么好。

就像古迪納夫這個姓一樣——

Goodenough。

古迪納夫愛笑,他的笑聲很有穿透力和感染力,幾個教室外就能聽到。

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主要參考資料:

https://news.tvbs.com.tw/ttalk/detail/topic/10501
https://m.terms.naver.com/entry.nhn?cid=43667&docId=932703&categoryId=43667
https://n.news.naver.com/article/469/0000407659
https://i-d.vice.com/en_uk/article/d3k75j/the-death-of-romance-and-the-rise-of-the-loner-in-collectivist-south-korea
https://www.bilibili.com/video/av2191244?spm_id_from=333.338.__bofqi.35
https://dajia.qq.com/original/category/wz20181011.html
https://qz.com/338767/the-man-who-brought-us-the-lithium-ion-battery-at-57-has-an-idea-for-a-new-one-at-92/
https://www.energytoday.net/energy-conversion-storage/his-current-quest-the-father-of-the-lithium-ion-battery/
https://www.theguardian.com/science/live/2019/oct/09/nobel-prize-in-chemistry-to-be-awarded-livehttps://libattery.ofweek.com/2014-12/ART-36001-11000-28913202.html
https://mp.weixin.qq.com/s/6cZaGd6IAD8a3IkF7xzG5w

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