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本文來源：晚點LatePost

(資料圖片)

鋰電池已經是現代文明在物理世界的基礎設施。今天幾乎所有觸手可及的電子產品，路面上越來越多的新能源車都離不開它的驅動。

像很多其他改變世界的重大技術突破一樣，鋰電池的普及是幾十年基礎科學研究、工程突破和商業驅動相結合的成果。但如果不是一個關鍵的人超出尋常的韌性，這一切來得會更晚。

故事開始在 1946 年，二戰結束不到半年的那個春天。剛退役的約翰·古德納夫（John Goodenough）上尉來芝加哥大學物理系報到，準備攻讀碩士學位。他之前在歐洲戰場預測氣象變化，才剛剛滿 24 歲。

這個充滿無限可能的年紀，放到物理學界卻是被無情地劃歸到 “被嫌棄” 的那一檔：牛頓 24 歲發現萬有引力定律；愛因斯坦 26 歲發現狹義相對論；薛定鄂 26 歲提出玻動力學。

“我搞不懂你們這些退伍軍人。” 他的講師、芝加哥大學明星核物理學家約翰·辛普森 （John Simpson）當頭就是一盆冷水：“難道你不知道，頂級的物理學家在你這個年紀就已經做出了重大貢獻，而你想從現在開始？”

辛普森 27 歲就加入曼哈頓計劃，很快成為研究組長，制造原子彈。而古德納夫雖然參軍前在耶魯讀了本科，但選修的科目是倫理學、美學、心理學、數學，從沒碰過物理。

古德納夫對那種 “被擋在門外” 的感覺習以為常了。他出生在一個父母關系極差、但對他更差的家庭里。當大學教授的父親聽說他被耶魯錄取，給了 35 美元 “只有這些，孩子。”——當時耶魯大學一年學費是 900 美元。母親則不希望他出生，在他 12 歲就送去寄宿學校，之后少有往來。在自傳中，提到了童年時，古德納夫溫暖地回憶了兄弟姐妹、家庭女傭和一只名叫麥克的狗。沒有父母。

古德納夫沒有被辛普森勸退。而古德納夫是作為一個政府項目被塞給芝加哥大學，辛普森無權拒絕。

辛普森沒有夸大物理研究的困難。古德納夫在芝加哥大學拿到物理學博士學位之后，去麻省理工學院做了 24 年材料研究。54 歲那年，實驗室因為政府部門分工調整被關停，結束了物理研究生涯。期間他并沒有做出過能與辛普森比肩的顯著突破，最出名的研究是為計算機中的內存 (RAM) 打了基礎。但 20 多年物理學的研究，讓他更熟悉各種材料的特性，并在之后的研究生涯中發揮作用。

失業后，他在牛津大學找到了一份工作，開始化學研究、研究鋰電池材料。他后來接受《美國化學學會》刊物采訪時把這次轉折視為新的開始：“我正式成為了一名學者，同時也成為了一名化學家。”

他的科研生涯開始晚，但持續得久，有 47 年。他的研究成果生命力更久——任何用到鋰電池的產品，都直接受益于古德納夫的研究。

1、三次重要突破，讓一個概念變成基礎設施

古德納夫不是第一批從事電池研究的學者。世界上第一顆電池在 1800 年就誕生了，意大利物理學家亞歷山德羅·沃爾塔 (Alessandro Volta) 用銅板、鋅板和浸泡在鹽水中的紙盤造出了第一個能在固定時間內產生穩定電流的電池。

這即是沿用至今的電池設計原理，電池使帶電原子（離子）從一個點（正極）移動到另一個點（負極）產生電流，為設備供電。

之后 100 多年，除了法國發明家加斯頓·普蘭特（Gaston Plante）用鉛酸電池解決了重復使用問題，增加了碳鋅、鎳鎘當正負極等技術路線外，電池技術并沒有太多進展。

直到 1970 年代，遭遇石油危機的歐美國家開始投入資源尋找石油替代品，研究更高效的電池成為重點資助項目。鋰成了最熱門的研究對象，在整張元素周期表上，它是最輕且帶電量最高的金屬，也是最適合被用于制造電池的元素。

大量資源傾注，只花了十五年時間，科學家們就做出了鋰電池的所有關鍵技術：

1976 年，英國科學家斯坦利·惠廷漢姆（Stanley Whittingham）用二硫化鋰和純鋰金屬當正負極做出了第一顆鋰電池，但存在安全問題，極易發生爆炸。

1980 年，古德納夫發明鈷酸鋰電池正極，是提升鋰電池的安全程度的關鍵步驟，并提升了電池性能。

1985 年，日本科學家吉野彰（Akira Yoshino）發明石墨電池負極，完成了鋰電池架構的最后一塊拼圖。

1991 年，索尼在古德納夫等人研究基礎上做出商用鋰電池。

2019 年，惠廷漢姆、古德納夫和吉野彰共同獲得諾貝爾化學獎。古德納夫研究的正極是電池最關鍵的零部件，直接決定電池的性能。因此電池通常以正極材料命名。

開發鋰電池最大的挑戰是鋰本身，它極易與水、空氣發生反應，非常容易起火爆炸。很長時間只被用在核武器和發動機的潤滑劑中。惠廷漢姆使用當時 1000 美元 / 公斤（相當于目前 3.74 萬元人民幣）的二硫化鈦材料盡可能減少起火爆炸風險，但成效不大。

古德納夫自認為能研究出能量密度更高、更安全的電池。他的信心來自于麻省理工時期研究的金屬氧化物材料。他認為用氧化物做電池正極，能讓電池在更高的電壓環境中穩定放電，這意味著同等重量下，電池能量密度更高。

電池研究是一個極其考驗韌性的工作。鋰電池行業的研究人員會將這個過程比作 “煉金術”，需要不斷調整溫度、濕度等要素去測試各種材料的性能，測試前沒有人知道結果會怎樣。

古德納夫做研究時，計算機才剛開始普及，主要靠人反復試驗。有 20 多年相關研究積累的古德納夫，帶著團隊花費了四年時間，才找到了鈷酸鋰。而埃克森美孚實驗室爆炸了幾次就放棄了。

雖然鈷的價格同樣很貴，超過 30 萬元 / 噸，且全球一半的儲量位于政局動蕩的非洲剛果金。但古德納夫研發的電池能量密度比當時的鎳鎘電池提升了 2.5-3 倍，而且足夠安全，成本已經低到被智能手機、電腦公司接受。

摩托羅拉 1983 年發布的世界上第一款商用手機 DynaTAC 重 790 克，抵得上 4 個半 iPhone，而且充電 10 個小時，只能通話 30 分鐘。受限于電池，只能這樣。摩托羅拉使用當時最先進的鎳鎘電池，儲存 1000 毫安時電量的電池重量就超過 90 克。

13 年后，摩托羅拉發布的新款手機 Startac 只有 85 克，通話時間卻長了一倍。變化主要來自新手機采用的鋰電池。

鋰電池在消費電子行業迅速普及，也喚起了汽車行業的雄心。2008 年，特斯拉用 6381 節鈷酸鋰筆記本電腦電池造出了電動跑車，續航 393 公里，百公里加速 3.7 秒，已經不弱于一般的燃油車。

驅動一輛汽車需要的電池數量是手機的 1300 倍，推動電動汽車普及，不可能像打造豪華車那樣全用鈷酸鋰電池。降低電池成本，也是古德納夫研發出鈷酸鋰電池后的重要研發方向。

現在 99.9% 的電動汽車都采用三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。這兩個電池技術路線起點都是古德納夫的團隊：

1982 年古德納夫和他在牛津大學的博士后邁克·薩克雷 (Mike Thackeray) 發明了比鈷酸鋰更便宜、安全的三元鋰（錳酸鋰）材料。

1991 年，古德納夫在得州大學的博士后阿克沙亞·帕迪用磷和鐵的化合物制造出了磷酸鐵鋰材料。

“記住我們是在與問題競爭，而不是與人競爭。” 古德納夫獲得諾獎后接受采訪談起怎么做研究說，“對話、對話、對話始終非常重要。”

研究里發生沖突很常見，一些分享諾獎的得主甚至因為競爭拒絕同臺。但與古德納夫一起獲得諾獎的惠廷漢姆、吉野彰都把他當做數十年的朋友。惠廷漢姆退休后，還經常被古德納夫拉著討論問題。“我告訴同事們，只要約翰還在，我就還是一位在職的科學家。” 惠廷漢姆在 2019 年接受采訪時說。

十多年時間研發出三種改變世界的電池正極材料，決定了古德納夫在鋰電池無可比擬的地位，也被稱為 “鋰電子之父”。2022 年，古德納夫 100 歲生日時，全球各地的研究者在線接入，為他慶祝，美國化學學會旗下《Chemistry of Materials》期刊專門出了一本期刊紀念他的成就。

在他 100 歲這年，全球共生產了 957.7GWh 的鋰電池，用于幾乎所有的消費電子產品，用到幾乎每一輛電動汽車中，以及太陽能、風能發電的儲能設備中。中國工信部估算，只算這些電池，價值就超過 1.2 萬億元人民幣。

2、改變了世界，但沒因為專利賺到錢

47 年的電池研究生涯中，古德納夫拿了化學家能拿到的所有獎項：諾貝爾化學獎、恩里科·費米獎、美國國家科學獎章、富蘭克林獎章、韋爾奇化學獎、科普利獎章、查爾斯·斯塔克·德雷珀獎、日本國際獎等。

但他并沒有靠鋰電池專利拿到什么錢，他的收入主要來自在幾個高校的薪水。獲得各種獎項的獎金，也被他捐給研究或設立了獎學金。

在牛津大學研究出鈷酸鋰電池正極時，還沒有人意識到他研究的潛力，牛津大學拒絕為其申請專利。最后他通過英國原子能研究機構申請了專利，代價是他放棄收益。

古德納夫后來經常被問到的問題是：“當你放棄專利時，有預料到會產生什么結果嗎？” 他的回答也很誠實，“當然沒有”“不知道它會價值數十億美元。” 但他從來沒有流露出任何懊惱情緒。“幫助實現讓許多人的生活變得更好的技術，帶來喜悅，就足夠了。” 他在諾獎自傳中寫道。

他失去后續關鍵研究的專利，則是體現了商業的陰暗面。1993 年，71 歲古德納夫已經從牛津大學到了得州大學奧斯丁分校做研究，主要的原因是在牛津大學到了年齡就要退休，而他希望繼續做研究。

這一年，作為鋰電池權威的古德納夫收到 NTT（日本電報電話公司）的材料學家岡田重人（Shigeto Okada）的申請，希望自費跟著他做研究。古德納夫同意了，安排他和名叫阿克沙亞·帕迪（Akshaya Padhi）的印度博士后一起尋找能量密度更高、更安全的鋰電池。

經過幾年研究后，他們在古德納夫的指導下發現了磷酸鐵鋰。在此期間，岡田重人一直偷偷向 NTT 透露古德納夫團隊的研究成果。NTT 在此基礎上做進一步的研究，并在 1995 年申請了磷酸鐵鋰專利，引發了雙方的專利訴訟。

就在得州大學與 NTT 打官司的時候，麻省理工學院的研究者蔣業明在古迪納夫的研究基礎上開發出自己版本的磷酸鐵鋰，并申請了專利，也跟得州大學打起了官司。

“在此之后，業界的印象是，古登納實驗室的發明可能會出現在任何地方。” 長期研究電池的作家史蒂夫·萊文（Steve LeVine）說，2008 年比亞迪發布搭載自研磷酸鐵鋰電池電動車時，已經沒人在意它的電池技術是從哪來的了。 

3、未能實現的愿望

“我希望解決汽車問題，我希望消除世界各地公路上的所有碳排放。”2018 年，96 歲的古德納夫接受采訪時說，“我希望在死之前能看到。”

他沒有等，而是自己去做。說這話前一年，他和團隊成員發布論文，介紹了一種 “玻璃電池”。這屬于現在鋰電池研究中最熱門的 “固態電池” 方向。

現在的鋰電池還不是完美的能量存儲工具。如果充電速度過快，正極會出現 “枝晶”，刺穿電池的隔離膜，導致電池短路起火——這是現在電動汽車自燃的主要原因。而且現在的鋰電池能量密度，依舊無法與汽油比肩，續航和充電速度都有限制，是電動車難以替代燃油車的主要原因。

固態電池使用固體電解質替代液體電解質，是人類已知的終極電池方案，有望全面解決鋰電池的安全問題，并大幅提高充電速度和能量密度。近年來遭到全球電池企業和研究機構追捧，寧德時代、松下、LG 等都在投入資源研究。

古德納夫的團隊用玻璃電解質代替液體電解質，搭配堿金屬負極，宣稱能量密度是現在鋰電池的三倍、只需要幾分鐘就可以充滿電，能充放電 23000 次，不是現在的幾千次，而且不會形成枝晶——意味著不會自燃。

他們的研究公布之后，因為缺乏全面數據引發了廣泛質疑。還有普林斯頓大學等機構的研究者評論，他們提出的電池工作機制 “違背了熱力學第一定律”。

古德納夫將這類質疑視為競爭，并沒有因為年齡放下研究。直到 2022 年，他 100 歲時，還有 3 篇他是第一作者的論文發布。而他帶領的團隊，今年還圍繞固態電池發布了 6 篇論文。

和過去所有電池研究一樣，固態電池依舊是一場反復實驗、比拼韌性和時間的研究方向。日本的豐田、日立造船等公司在過去 30 年嘗試了數萬種電解質配方，才挑選出幾十種材料應用到電池中。

不同于早先的研究，鋰電池已經充分展示了商業價值。越來越多學者、越來越多的公司愿意投入。僅過去一年，全球最大的兩家電池公司寧德時代和 LG 新能源就投入 200 億元人民幣，爭相尋找下一個有潛力的化合物。

但這一次，古德納夫已經不能繼續參與了。6 月 25 日，他在距離 101 歲生日還有 1 個月時去世。

編輯/Corrine