北京時間10月9日下午17時45分許，瑞典皇家科學院宣布，將2019年諾貝爾化學獎授予約翰·B·古迪納夫（John B. Goodenough），M·斯坦利·威廷漢（M. Stanley Whittingham）和吉野彰（Akira Yoshino），以獎勵他們在鋰離子電池方面做出的卓越貢獻。三位獲獎?wù)邔⒐餐窒?00萬瑞典克朗的獎金。
（圖片來源：nobelprize.org）
我們早已經(jīng)生活在一個“可充電的世界”，每個人每一天都在手機和電腦上花費大量的時間，如果沒有鋰電池的誕生，這些都無法想象。
這種重量輕、可充電、功能強大的電池現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于從手機到筆記本電腦和電動汽車等各個領(lǐng)域。它在全球范圍內(nèi)用于為便攜式電子設(shè)備供電，我們使用這些便攜式電子設(shè)備通訊、工作、學習、聽音樂和學習知識。鋰電池還促進了遠程電動汽車的開發(fā)以及來自可再生能源（例如太陽能和風能）的能量存儲，使一個無化石燃料的現(xiàn)代社會變成了現(xiàn)實。
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假如沒有鋰電池，你的手機就“炸了”
鋰離子電池的基礎(chǔ)是在上世紀70年代的石油危機期間奠定的。20世紀70年代，美國爆發(fā)石油危機，政府意識到對石油進口的過度依賴性，開始大力發(fā)展太陽能和風能。但由于太陽能和風能的間歇性特點，最終還是需要可充電電池來儲存這些可再生的清潔能源。
M·斯坦利·威廷漢開始研究超導體，致力于開發(fā)可能導致無化石燃料的能源技術(shù)的方法。他在紐約起草了鋰電池的初始設(shè)計方案，硫化鈦作為電池的陰極材料，電池的陽極部分則由金屬鋰制成。
但金屬鋰是元素周期表上最活潑的元素之一，除了極易燃燒，甚至與最“內(nèi)向”的氮氣也能發(fā)生反應(yīng)。這樣的特性造成了鋰電池最初在生產(chǎn)組裝過程中的極大困難：稍有不慎泄進了空氣，輕則電池報廢，重則起火燃燒。鋰金屬表面還會形成一些看不見的“小毛刺”——枝晶（Dendrite）。而隨著電池的頻頻使用，這些枝晶會越長越大，最終會刺破電池正負極之間的隔膜，造成短路，最終引起電池自燃。
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約翰·B·古迪納夫預測，如果使用金屬氧化物而不是金屬硫化物制成陰極，則陰極將具有更大的潛力。經(jīng)過系統(tǒng)的搜索，1980年，到了牛津四年后，他證明了嵌入鋰離子的氧化鈷可以產(chǎn)生多達4伏的電壓。鋰電池鈷氧化物陰極材料成為一項重大的突破。這是世界上第一個可以給大型復雜設(shè)備供電的鋰離子電池，質(zhì)量遠超市場上其他電池。
吉野彰以古迪納夫的陰極材料為基礎(chǔ)，于1985年創(chuàng)建了首個商業(yè)上可行的鋰離子電池。他在陽極中使用了石油焦炭，這種碳材料像陰極的氧化鈷一樣可以嵌入鋰離子中。這造就了重量輕，堅固耐用的電池，在其性能下降之前可以充電數(shù)百次。這種在鋰電池基礎(chǔ)上發(fā)展而來的鋰離子電池，優(yōu)點在于并非是基于分解電極的化學反應(yīng)，而是基于鋰離子在陽極和陰極之間來回流動。
自從1991年首次進入市場以來，鋰離子電池就徹底改變了我們的生活。它們奠定了無線、無化石燃料社會的基礎(chǔ)，極大地推動了人類社會的發(fā)展。
當之無愧的“鋰離子電池之父”
今年的三位獲獎?wù)咧?，最引人矚目的無疑是有史以來年齡最大的諾獎得主——97歲高齡的約翰·B·古迪納夫。此前，這個紀錄由96歲獲得2018年諾貝爾物理學獎的阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）保持。
（圖片來源：tecteschi.com）
電池世界里的傳奇人物古迪納夫出生于1922年7月25日，本科畢業(yè)于耶魯大學數(shù)學系。畢業(yè)后，二戰(zhàn)爆發(fā)，他加入了美國空軍，不過沒當成飛行員，而是被派到太平洋的一個海島上收集氣象數(shù)據(jù)。23歲退役的他，選擇去芝加哥大學讀物理博士，和楊振寧先生做了同學，研究方向是固體物理。到了那里，一名教授警告他，說他年齡已經(jīng)太大，不太可能在這個領(lǐng)域取得成功。在接下來的日子里，古迪納夫幾乎是身體力行反駁了這一說法，證明了在科研領(lǐng)域這條漫長的道路上，有些人實際上是隨著年歲漸長而變得更有創(chuàng)造力。
古迪納夫后來成為牛津大學無機化學實驗室主任時已經(jīng)54歲，這一年，他才剛剛把目光轉(zhuǎn)向了電池。
（圖片來源：uchicago.edu）
待到57歲時，他發(fā)現(xiàn)了鈷酸鋰材料，解決了鋰電池初期容易產(chǎn)生枝晶導致爆炸的難題。牛津大學有65歲強制退休的政策，為了繼續(xù)從事科研事業(yè)，1986年，古迪納夫從牛津大學退休后，受聘于美國德州大學奧斯汀分校機電工程學院擔任終身教授，研發(fā)了固體氧化物燃料電池（SOFC）的新型電解質(zhì)和電極材料，并且對電子從集中變?yōu)榱鲃拥慕换バ袨槲锢憩F(xiàn)象做出了解釋，繼續(xù)從事科研直到今天。
75歲時，他又做出了新材料磷酸鐵鋰，從而加快了鋰離子電池的商業(yè)化。磷酸鐵鋰是目前安全性最高、充放電性能好、廉價、對環(huán)境無污染，具有優(yōu)異的電池循環(huán)壽命、安全性、低自放電（庫存存放壽命非常長），相形之下，傳統(tǒng)鎳氫、鎳鎘電池黯然失色。
壯心不已，不斷前行
雖然名字叫“足夠好（Goodenough）”，但古迪納夫卻永遠不滿足停留于現(xiàn)在，一直朝著更遠的方向不斷前進。中國人常說“人生七十古來稀”，而古迪納夫直到90歲，這位壯心不已的科學家也仍然沒有停下在科研路上創(chuàng)新的腳步，他又將目光瞄準了更安全廉價的全固態(tài)電池。
一些同事曾對他能取得成功表示懷疑。但古迪納夫并未因此退卻?！盎畹竭@個歲數(shù)，我已經(jīng)明白了不能對新想法存有偏見的道理。要想得到一些新東西，你必須測試所有的可能性?！?/p>
古迪納夫94歲的時候，他帶領(lǐng)的研究團隊成功研制了一種使用玻璃態(tài)電解質(zhì)的固態(tài)電池，這種新電池使用堿金屬作為陽極，能將原先的液態(tài)有機電解質(zhì)換成一種全新的固態(tài)電解質(zhì)。固態(tài)電解質(zhì)不僅能夠提升原有的儲電性能，還能防止枝晶問題的產(chǎn)生。
在同年接受《紐約時報》的專欄作者佩根·肯尼迪（Pagan Kennedy）采訪時，古迪納夫這樣說道：“我們中有些人就像是烏龜，走得慢，一路掙扎。但這些烏龜必須繼續(xù)爬下去。”
他的科研人生從固體物理學起步，后又輾轉(zhuǎn)化學和材料學領(lǐng)域，作為幫助了鋰電池誕生的人，他將注意力集中在解決污染問題和淘汰石油燃料的使命上，致力于重塑更綠色更高效的電池?！斑@種貫穿一生的爬行有可能帶來好處，尤其是在你輾轉(zhuǎn)穿越不同領(lǐng)域，一路收集各種線索的情況下，你得有相當多的經(jīng)驗，才能把不同的想法融匯在一起。”
97歲高齡的古迪納夫在Nature Electronics上刊文，回顧了可充電鋰離子電池的發(fā)明歷史，為電池的未來發(fā)展指明了道路。圖為商業(yè)鋰離子電池正負極材料的示意圖、主要發(fā)明人、發(fā)明時間。（圖片來源：知乎）
如今，97歲高齡奪得諾獎的古迪納夫，仍然在科研道路上前進著，他的下一個目標是一種真正能讓電動汽車和內(nèi)燃機汽車匹敵的超級電池，并希望這種電池可以經(jīng)濟地存儲風能和太陽能。
沒有人可以肯定古迪納夫還將繼續(xù)成功下去，只是他還沒放棄。超級電池的研制確實更難。但古迪納夫認為，每個人都應(yīng)該不斷地嘗試突破。他指出，在毀滅性的能源危機和環(huán)境問題來臨之前，我們還有30年的時間研發(fā)新電池并使之商業(yè)化。他認為時間足夠了。
當然，古迪納夫很可能解決這個問題。就像他92歲時曾說的那樣：我還有許多的時間。（吉菁菁）