改變世界的鋰電 出自一個「二戰老兵」之手

邂逅電池，是他一生的緣份……

當今時代，無處不在的鋰電池深刻地影響著人們的生活。從電子產品的「瘦身」到移動互聯網的誕生，鋰電池在其中扮演了極其重要的角色。

在「鋰」行天下的背後，無疑是眾多科學家心智的付出。被譽為「鋰電之父」的古迪納夫，就是其中的典型代表。

「鋰電之父」——約翰·班尼斯特·古迪納夫（John Bannister Goodenough）（圖片：www.sohu.com）

投身軍旅

約翰·班尼斯特·古迪納夫（John Bannister Goodenough）1922年7月25日，出生於美國的紐黑文市，並在郊區農村度過了他的童年時光。他熱愛這裡的山水草木，並曾夢想當一名探險家。

12歲進入了馬薩諸塞州的格羅頓學校。由於患有閱讀障礙症，在學校里受到了不少同學的戲弄，古迪納夫感到十分沮喪。他非常喜歡學校的詩歌和宗教哲學，也許是詩歌的韻律喚醒了他的靈性吧，進步很快，並獲得了學校的獎學金。

1940年，古迪納夫考入耶魯大學數學專業。珍珠港事件之後，古迪納夫主動申請服役，直到三年後，才回到耶魯大學繼續完成了他的本科學業。畢業之後，他繼續遠赴歐洲戰場參加第二次世界大戰，以氣象師的身份在美國陸軍航空部隊服役。

耶魯大學（1930年代）（圖片：www.eefocus.com）

1946年，迎來了命運轉折的一天。駐紮在葡萄牙特塞拉島擔任陸軍上尉的古迪納夫，接到了一封特別的電報；要求他48小時內趕回華盛頓報到。

原來是美國政府出資，選派21名軍人去深造。古迪納夫就在其列，可以選擇在芝加哥大學或西北大學學習物理或數學。這份電報就是他命運漂泊中的一根「稻草」。

貴人相伴

高興之餘，古迪納夫也會深思，參加二戰的大學生那麼多，為何「幸運之神」會降臨到自己頭上？後來，得知是耶魯大學的一名教授推薦了他，古迪納夫曾在自傳中寫道，我永遠欠著邁爾斯教授的一個人情。

數學or物理？拜讀懷特海經典著作《科學與現代世界》時，就對物理學產生濃厚興趣，再經過二戰洗禮的古迪納夫，十分清楚自己的天分，所以對人生進行了重新的思考，最後，果斷地選擇了芝加哥大學物理系。

《科學與現代世界》中譯本封面（圖片：book.douban.com）

芝加哥大學是一個大師雲集、人才輩出高等學府！物理系更是該大學的優勢學科之一，物理基礎十分薄弱的古迪納夫能適應嗎？

芝加哥大學（圖片：tupian.hudong.com）

在課堂上，辛普森教授直言不諱地問他,「我不知道你一個「老兵」來這幹嘛！你真的想從現在重新開始嗎？」 對老師的質疑，古迪納夫沒有退縮，更多的是把它當作一種挑戰，埋頭學習提升自己。

半路改學物理存在困難當然是不言而喻的。然而，他遇見了一位好導師，二極體的發明者，享譽世界物理界的克拉倫斯·梅爾文·齊納（Clarence Melvin Zener）。

齊納是一位治學嚴謹的科學家，並希望自己的學生能夠做出開創性的工作。他曾對古迪納夫說：「你有兩個問題，第一個問題是找到問題，第二個問題是解決問題……」

「電」路坎坷

1952年，古迪納夫以一篇關於六角形金屬合金結構隨導電電子濃度變化的論文獲得了博士學位。畢業後，被推薦進入麻省理工學院的林肯實驗室工作。

古迪納夫的團隊負責改進早期計算機的存儲能力，他們開發的陶瓷磁記憶核為隨機存取存儲器（RAM）的誕生奠定了基礎。

古迪納夫（圖片：www.hqrw.com.cn）

在這裡，古迪納夫第一次介入到電池領域的相關研究，不過此時他研究的是鈉硫電池。這是一種以金屬鈉為負極、硫為正極、陶瓷管為電解質隔膜的二次電池。

福特(Ford)公司的鈉硫電池（1966年專利）（圖片：www.cailiaoniu.com）

應邀為福特公司開發了鈉硫電池，充一次電可以讓電動汽車行駛82英里，但是實際上還是不能應用於電動汽車。因為熔化的電極需要工作在300℃的環境之中，這顯然不切合實際。

1976年，古迪納夫收到了來自牛津大學的邀請，擔任無機化學教授一職。但是，此前古迪納夫曾設想去伊朗建立能源研究所。迷惘中的他不知該如何抉擇。

牛津大學（圖片：chinadaily）

最後，在妻子勸說下，踏上了牛津大學的電化學研究之旅。古迪納夫發明鋰離子電池，與妻子的鼓勵分不開的。在一些重大的人生抉擇上，妻子的建議更具客觀性。

對手強勁

這位只修過兩門化學課程的物理學博士，在接下來的電化學研究領域遭遇到的競爭對手數不勝數。

例如，就在上任的同一年，世界石油巨頭埃克森公司申請了世界上第一個鋰電池的發明專利。在能源危機的大背景下，埃克森公司率先秘密組建了一個電池技術實驗室，並招攬了一大批頂尖級人才。其中，曾在斯坦福大學做過三年固態電化學研究的博士後斯坦利?惠廷漢姆就是其中的一個重量級人物。

與此同時，因發明晶體管而名揚天下的貝爾實驗室，也建立了一個關於下一代電池的研發小組。這個小組也聚集了一大批一流的化學家和物理學家，在新型電池技術研究方面持續發力。

成果斐然

埃克森公司的鋰電池專利無疑是一個重大的技術突破，然而在產業化應用方面並不被看好。因為正極材料使用的硫化鈦，電化學性能極不穩定，在充電過程中非常容易起火爆炸。

古迪納夫對鋰電池的爆炸問題十分關注，推測氧化物電極或許能克服這個問題。

古迪納夫在牛津大學與同事合影（前排左二為古迪納夫）（圖片：www.sohu.com）

在這個方向上，古迪納夫的研究團隊進行了長達4年的研究，終於發現了一種名為鈷酸鋰的新材料。

鈷酸鋰為一種層狀材料，兩個由鈷和氧原子緊密結合形成的正八面體「平板」，可以把鋰原子層鑲嵌在其中。這樣的一種特殊結構，可以使得鋰原子在鈷酸鋰晶體中快速地移動。是一種安全係數很高的電極材料，並且還可以提高電池的使用電壓，從而可以提升電池的儲電量。

鈷酸鋰晶體結構（白色圓球表示鋰原子，紅色圓球表示氧原子，藍色圓球表示鈷原子）（圖片：www.eefocus.com）

這一研究成果使第一個可充電鋰離子電池誕生，並成功應用於索尼公司的最早期行動電話之中。後來，他還發現了磷酸鐵鋰電極新材料，在低成本和穩定性方面具有更大的優勢。

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參考文獻

【1】科學人.《手機鋰電池為什麼會爆炸？這個人研究清楚了》，ee-focus與非網，2017-09-30。

【2】https://translate.sogoucdn.com/pcvtsnapshot?url=https%3A%2F%2Fwww.datacenterdynamics.com%2Fanalysis%2Frestless-inventor%2F&from=en&to=zh-CHS&tfr=englishpc&domainType=sogou

【3】https://translate.sogoucdn.com/pcvtsnapshot?url=https%3A%2F%2Falcalde.texasexes.org%2F2015%2F07%2Fthe-inventor%2F&from=en&to=zh-CHS&tfr=englishpc&domainType=sogou

作者：蘇更林

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