10月9日下午,瑞典皇家科学院宣布将2019年度诺贝尔化学奖授予约翰·古迪纳夫(John B. Goodenough)、M·斯坦利·惠廷汉(M. Stanley Whittingham)和吉野彰,以表彰他们在锂离子电池研究领域的成就。
诺贝尔奖官网的一篇文章将3人形容为“他们创造了一个可充电的世界”。三位科学家将共享900万瑞典克朗(约合人民币650万元)的奖金。
现年97岁的古迪纳夫,常常被称作“锂电池之父”,多年来被视为诺贝尔奖的有力竞争者。如今,他已超过去年获得物理学奖的阿瑟·阿什金(时年96岁),成为获奖时年龄最大的诺贝尔奖得主。
在获奖的3人中,古迪纳夫作为这一领域的最大贡献者,其人生也充满了传奇色彩。
1922年7月25日,古迪纳夫出生在书香门第,父亲是耶鲁教授,兄弟姐妹也都在学术圈工作。不幸的是父母关系恶劣,殃及池鱼,12岁的古迪纳夫被“抛弃”,被送去读寄宿学校。因此古迪纳夫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。
1941年12月7日,珍珠港事件爆发,古迪纳夫主动申请服役,直到三年后,才回到耶鲁大学继续完成了他的本科学业。毕业之后,他继续远赴欧洲战场参加第二次世界大战,以气象师的身份在美国陆军航空部队服役,传言还参加过诺曼底登陆。
战后,古迪纳夫作为一名陆军上尉驻扎在葡萄牙。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,古迪纳夫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。年轻的古迪纳夫上课的时候,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。
不过古迪纳夫好歹还是从芝加哥大学物理博士毕业了,之后去了林肯实验室,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古迪纳夫-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,古迪纳夫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,古迪纳夫被选中了,虽然他只修过两门大学本科化学课。
到了牛津,古迪纳夫因严厉而声名远扬。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。
古迪纳夫在牛津大学工作期间,美国科学家惠廷汉发现了一种能量极其丰富的材料,他用这种材料在锂电池中创造了一种新型的正极——由二硫化钛制成,负极则由金属锂制成。这种电压只有两伏多一点的锂电池虽然具有巨大的潜力,但是电池极易爆炸。
由于在林肯实验室工作期间,古迪纳夫接触到了一些能源材料,研究了锂离子的移动。又赶上美国受到阿拉伯国家石油禁运的影响,能源问题日益突出,古迪纳夫遂投身锂电池的研究。
他认为用金属氧化物做阴极,可以解决二硫化钛的问题,而且电压更高,能量密度更大。
在牛津,古迪纳夫找了两博士后,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,他们找到了神奇的层状氧化钴锂,发明了锂电池中最重要的部件,钴氧化物阴极,现在全世界的便携电子设备都采用这种阴极。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。
在古迪纳夫发现钴酸锂适合作为阴极材料,已降低已存锂离子电池(由金属锂做阴极材料)的安全隐患后,致力于研究阳极材料的日本教授吉野彰采用了这一发现,先是以聚乙炔后以碳基材料为阳极,在电池中消除金属锂,使用含锂化合物,确立了现代锂离子电池的基本框架。
1991年,索尼基于古迪纳夫等人的研究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。
不过老爷子的使命尚未结束。自他发现氧化钴锂后,又先后发现了锰基尖晶石和磷酸铁锂。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,他希望研发出更好的更高级的电池。
“据我所知,他每天都还在去实验室。他是个了不起的人,他对这一领域非常着迷。”诺贝尔化学委员会成员拉姆斯特伦(Olof Ramstrm)说道。现年97岁高龄的古迪纳夫,每天仍然在做实验。
他正在研制一种真正能让电动汽车和内燃机汽车匹敌的“超级电池”,并希望这种电池可以经济地存储风能和太阳能。他的研究方向涉及电池科学领域里最难的问题之一如何用纯锂或者钠制作电池阳极?
2017年2月,古迪纳夫公布了新一代电池技术能量密度是当前锂电池3倍,且安全系数更高的全新固态电池。他表示,他和研究团队正在准备给这款新型固态电池申请专利,并计划与电池生产厂商合作,开发和测试为电动汽车和能源存储装置提供的新型电池。
目前,古迪纳夫仍在继续从事能源方面的研究。去年,他在接受外媒采访时表示,“我想解决汽车的问题。我想让汽车尾气从全世界的高速公路上消失。我希望我死之前能看到这一天。我今年96岁,还有时间。”