GoodEnough的傳奇：美麗的心靈—鋰電之心

先來看一看最近六七十年科學技術上的跨越：脊髓灰質炎疫苗，太空火箭，阿帕網絡（Arpanet，互聯網的前身）。與之相對的，是兩個在社會與經濟影響上脫穎而出的發明，更不用說它們在日常中全然的無處不在。如果沒有這兩發明，世界上跨越了年齡和種族、宗教、道德基準、醫療狀況、政治歸屬、品味、風格以及民族認同的絕大多數人們的生活將截然不同。

這兩超量級發明中的第一個是晶體管，其于1947年在貝爾實驗室中被制造出來，這種變換式的電子產品成為了全球經濟和當代文明的基礎。第二便是今天的主角——鋰離子電池。索尼在1991年率先實現鋰離子電池的商業化，這一發明也開啟了電子設備便攜化的進程。

與晶體管不同，盡管很多人認為應該，但鋰離子電池的發明尚未獲得諾貝爾獎。鋰離子電池的發明成功地為晶體管作上嫁衣。沒有它，我們將不會有智能手機、平板電腦或筆記本電腦，包括您正在閱讀這篇文章的設備。也將沒有蘋果、三星、特斯拉。

1980年，古迪納夫（John Bannister Goodenough），一個學霸級的物理學家，在他57歲時建造了鋰離子電池的神經系統。他的智慧結晶是鈷酸鋰陰極（圖1），這玩意是每個鋰離子電池中最重要的元件。從摩加迪沙到帕果帕果，從南極到格陵蘭，以及其間所有的陸地，古迪納夫的陰極材料幾乎內在于每一款流通的便攜式電子設備中。當時，其他人也試圖改善鈷酸鋰陰極，但無疑都以失敗告終。

圖1. 古迪納夫與他的寶貝氧化物們（Darren Carroll）

2015年，92歲的古迪納夫依舊每天往返于他那間位于德克薩斯大學奧斯汀分校的小辦公室（圖2）。如此執著的緣故，他說，是因為他還沒有玩完。在歷經他鈷酸鋰一鳴驚人后的三十五年內，電動汽車在價格競爭上仍就無法與內燃機車抗衡。當太陽能和風力發電時，電力必須被立即使用否則即永遠消失——這也意味著沒有一種經濟的固定式電池可以存儲電能。而此時，正值風起云涌：油價再次下跌，但像所有周期性商品一樣，其價格將必然回升。氣候正在變暖，在整體上將會越來越混亂。

圖2. 古老爺子在他那間位于德州奧斯汀分校的實驗室內（Darren Carroll）

總之，世界需要一枚超級電池。

（下面這句話絕對有夸張的成分！）

要么是超級電池，要么就是“不好意思我們將在世世代代的戰爭中搶奪最后一點可得的油氣儲量同時還有遠勝人力的全球變暖翹首以待“，古迪納夫如是說。

好消息是，古迪納夫還有最后一個想法，他正在與另外一批博士后助理假手于此。“在把賭注壓上前我就想解決這個問題，”他說。“我只有92歲，老子還有的是時間。”

與這個想法一起存在的，還有他可能無敵于這個星球上任何科學家的奇葩笑聲（補圖1）。客官們可以在這里享用：

補圖1. 古老爺子在美國電化學會大師采訪上的開懷大笑（強烈建議大家去看看，有他的生平介紹）

20世紀60年代的電池革命

電池基本上是一個制造帶電原子（也即離子）的裝置，其中，離子們從此端移動到彼端。當電荷移動時，它們便會產生電流，該電流可以為連接到電池的任何設備供電。

因此，要制作電池，您需要兩個電極，這樣離子將可以在其間進行移動。在中間，你需要一種可以讓他們透過的物質，稱為電解質。一個電極帶負電，稱為陽極。另一端帶正電的是陰極。當電池正在放電時 - 即，當它連接到從其吸取電量的裝置時 - 帶正電荷的離子從陽極穿梭到陰極，產生電流。如果它是可充電電池，將設備插入插座 - 從而將電力補充到其中——就可以迫使離子往返于陽極，在那里存放，直到下一次的需要（圖3）。

圖3. 正在充電中的鋰離子電池

幾乎所有的電池設計都指向制造陽極、陰極和電解質的材料，它們能夠確定電池的容量以及放電速率。

二十世紀初，由鉛酸電池（鉛作電極，硫酸作電解液）驅動的電動汽車似乎優于它的對手們——汽油驅動的內燃機車。鉛酸并不是一個新的發明——它是在1859年由Gaston Planté制造的。但是與噪音四射、一身骯臟的內燃機相比，電機相對安靜、操作簡單，更別提前者還有加重手桿。之后，在包括電啟動器等一系列發明的幫助下，內燃型機車重“燃”優勢。因此，幾十年來，似乎沒有人留作他想。

但在1966年，福特汽車——在它的Model T和相應的裝配線以遠超任何一家公司能力讓燃油車重回主流的情況下——竟然想要重振電動汽車。福特汽車公司揭示了一款配有硫陰極和鈉陽極的電池。這是一種新式思維 ——一種可以在同一空間內儲存比鉛酸多15倍能量的輕型電池（簡言之，體積能量密度更高）。

這款車型當然有短板。與內燃機大約90°C的運行溫度相比，福特汽車的電池需要在約300°C（570°F）運行。然而鈉在98°C熔化，遇到空氣時即點燃。你肯定不想在你的引擎蓋下放著一塊炙熱的、爆炸性的熔融金屬吧。實際上，這種電池僅適用于電站的固定式存儲。

但起初，無論是福特還是吃瓜群眾都有一些不揣冒昧。借著清潔電動機車的東風，福特汽車因勢利導，捆綁了60年代人們的憧憬，也使得他們突然意識到原來煙霧業已吞沒了他們的城市。在初始階段，載用鉛酸蓄電池的福特電動汽車可以以每小時40英里的最高速度行駛40英里（64公里）。后來，福特宣稱，隨著新型鈉硫電池（圖4）的投入使用，汽車可以高速公路段速疾馳200英里。接著充電一個小時，然后再開200英里。

圖4. 福特的鈉硫電池，來自于其1966年的專利方案

這樣的消息很快引起了全民的一顆賽艇，人們似乎又看到了19世紀那種近乎瘋狂的商業創新。在世界各地，研究人員爭相效仿，以福特為標桿。那時，還是麻省理工的科學家古迪納夫說，一切都突然改變了。電池不再是枯燥的擺設。古迪納夫說道，這股狂潮持續到了下一個十年，其間暗流涌動，伴隨著1973年的阿拉伯石油禁運，最終演變成了一個時代的普遍認知——世界正在耗盡石油，也正是這股風暴激起了大西洋兩岸的科學進步。

無論如何，電力都似乎不可阻擋。現在古迪納夫潛入了這股渦流。在二十年的時間里，他抑或是自己生產，又或者是成為現代電池中幾乎每一項重大進步發明的一部分。

古迪納夫的艱辛成長

約翰·古迪納夫在康涅狄格州紐黑文附近一個龐大的家庭中長大，他的父親埃爾溫是耶魯大學宗教史的一名學者。他形容父母的關系是“一場災難”，這種家庭矛盾遂延伸出冷暴力——對孩子而言。古迪納夫和他的母親，海倫，之間尤甚，幾乎是“未覺親緣”——她就沒想要過約翰，而在丈夫的執意下他又成了海倫的第二個孩子，因此間隔于孩子和母親之間的是一段地球到太陽的距離。

當約翰十二歲時，他就被送到馬薩諸塞州私立寄宿學校格羅頓的獎學金（項目）之中，也就再難聽到父母的音訊了。約翰的母親也僅在他弱冠之年予信一封。古迪納夫在一本略薄的自行出版的自傳中提到了人生的幾許影響：兄弟姐妹，一只名叫麥克的狗，一位家庭傭人，很久以前的鄰居。但他明顯地忽略了他的父母，也從不提及他們的名字。他們在他的生命中僅是血緣的存在而已。

古迪納夫的童年并沒有折射出溫暖與樂趣，更難以銜接上一個自信的成年階段了。曾有一段時日，古迪納夫患上了閱讀障礙，但他并沒有被很好地接納與治療，這使得他無法在格羅頓讀書、聽課抑或是在教堂里成長（是的，古迪納夫是一名堅定的基督徒，詳見著書《witness to grace》）。代替了課本生活的是，叢林里的探險與動植物的觀察。盡管如此，烏云背后依舊有著一絲銀線，直到一切終現眉目。他拿到了耶魯大學的一個援助計劃并在那里站穩了腳跟，隨后以最優成績畢業于數學系。

在第二次世界大戰之后，古迪納夫，24歲的他時為一名服役于葡萄牙沿岸亞速爾群島的上尉。當時他收到一封調任電報，目的地是華盛頓特區。彼時，教育工作者在大量盈余的預算費用前躊躇不前，最終他們提議將之用于幫助21名返程軍官進入物理與數學的研究生課程學習。在本科階段幾乎沒有一點科研訓練的古迪納夫幾近懵逼，但在逐漸被時間腐蝕的記憶深處，一錘定音的應該是那位在名單上填上自己名字的耶魯大學數學系教授。

于是，他來到了芝加哥大學，師從于那個時代最為頂尖的物理學家們，其中就包括了愛德華·塔勒和恩里科·費米。當古迪納夫不得不注冊初級本科課程以求趕上他人時，一位教授評論道：“我實在是不明白你們這幫退伍軍人。你們難道不懂得任何一位傳世神作加身的物理巨擘早已在你們這個年齡上完成了驚鴻一瞥？

但古迪納夫用他那對物理學的驚艷直覺來了一記實錘打臉。1952年獲得博士學位后，他前往麻省理工學院的林肯實驗室工作，而在前一年，美國空軍就在這資助并制造了美國的第一個防空系統，后世稱之為SAGE。當時古迪納夫加入了一支正在攻堅計算機內存系統的團隊。

那時，用古迪納夫的話說，構成計算機的真空管足以填滿一個大型舞廳的空間，而儲存也是出奇地慢。在古迪納夫加入麻省理工學院后不久，這個團隊就推出了磁核記憶體——一種更快捷、更可靠、更緊致的存儲模塊。除了幫助SAGE上線之外，磁核記憶體還成為了計算機存儲系統的基石，直到半導體在20世紀70年代才將之廢黜。對于古迪納夫個人來說，之后是更多的進展，這其中就包括了“古迪納夫—金森法則”，它從原子尺度上描述了多種材料中的磁性原理——未來計算機的另一塊墊腳石。

到20世紀70年代中期，古迪納夫就定睛于為歐派克主導的能源危機尋找一種科學的解決方案，當時這個危機是美國所面臨的最大挑戰。但是，政治介入了：美國參議員邁克·曼斯菲爾德（Mike Mansfield）推行了一項法案，要求空軍資助的任何研究——包括麻省理工學院實驗室——都必須以空軍應用為導向。這個法案治下，能源問題就不在空軍的雷達范圍內，而是國家實驗室的自留地。

此時，一位朋友在大西洋彼岸遙送機遇。牛津大學渴求一位能夠講授無機化學并管理實驗室的教授。于是，1976年，古迪納夫出人意外地被選中：他并不是化學家，也只完成了兩門大學化學課程。這已經是他第二次被幸運地選上，盡管他依舊在名義上不夠格。

補圖2. 牛津時期的古迪納夫，資料來自The Inventor

古迪納夫是一位嚴厲的教授（補圖2）。他在牛津大學的學生克萊爾·格雷（Clare Gray，姐們現在是鋰離子領域的大牛）回憶起一門以165名學生選修的物理課程。在一堂古式授課之后，她是八位重返課堂的學生之一。在實驗室，他眼里也同樣容不得沙子。但那是因為在離開麻省理工學院之后，他正在尋求固態化學上的巨大進步，而這是一個以發明各類商業化材料而聞名的領域。

第一個鋰電池

就在古迪納夫去牛津大學時，英國化學家斯坦·懷廷漢姆（Stan Whittingham）宣布在電池方面取得了巨大的突破。與斯坦福大學的同事一起，他發現了一種以層狀材料制造電極的方法——可以將鋰離子存儲在鈦硫化物的片層內。鋰離子可以從一個電極穿梭到另一個電極，從而形成可充電電池。而且它可以在室溫下工作。借助化學術語，懷廷漢姆稱這種儲存為嵌入式，就像卡在了材料之中。

這條新聞一石激起千層浪。當時石油巨頭埃克森正在打造一座創新中心，力求與貝爾實驗室（晶體管的發明地）分庭抗禮。所以埃克森引進了懷廷漢姆，這位英國化學家開始依靠斯坦福大學的成果制造電池。不過，他的工作非常保密。最后，于1976年，埃克森提交了一份鋰基電池的專利申請。

六十年來，不可充電的鋅—碳機理一直是消費電子產品的標準電池化學過程。（它已經淘汰了鉛酸，后者對于汽車電池來說是沒有毛病的，但是對于小型設備來說，鉛酸電池實在是太笨重了）。鎳鎘電池也是常用品之一。懷廷漢姆的發明是跨越了這兩者的一次飛躍。動力十足且輕裝上陣，可以為便攜式消費電子產品供電（如iPod與Walkman相比）——前提是這種電池能工作的話。

然而，基本的物理學原理擋在了路上。驅動鋰電池的這種電化學反應同樣也可以使它們發生爆炸。一旦過充，電芯就會被點燃，并在你還沒有感知前就噴濺火花（圖5）。但是，即便你遵照安全的設定并使用其他的元素（除了鋰之外的堿土金屬），結果并不會好多少。你會發現這些電池在反復充放電過程中時慢慢地支離破碎。這些棘手的問題——爆炸的實驗室和不斷分崩的電池——正在毒害著懷廷漢姆的心血。

圖5. 枝晶產生穿透隔膜產生為短路進而爆出火花的示意圖，資料來自yutube。

古迪納夫認為他可以打造出一款比懷廷漢姆的更強大的電池，沒有那種不可接受的缺陷。在埃克森的電池中，儲存鋰的陰極材料是硫化鈦。但是在麻省理工學院的日子里，古迪納夫早已與另外一簇化合物——金屬氧化物（氧和各種金屬元素的組合）親密接觸過了。在他的判斷中，氧化物可以允許在比懷廷漢姆的作品更高的電壓下進行充電和放電，而根據物理學原理這種電池會產生更多的能量。而且它的揮發性會更小，這就是他將試手的。

當然，還有一個可能的陷阱。越多的可以被儲存在電極中以及穿梭其間的鋰，電池可以產生的能量就越多——但是如果鋰在陰極材料中占據了絕大部分，而它們都走在去往陽極的道路上，那么根據古迪納夫的推論，陰極將會被挖空，最后自我坍塌。那么在這種濫用條件下，是否有某些金屬的氧化物都可以堅挺？如果有，是哪一種，而從陰極脫出多少比例的鋰才是最具魔性的？

古迪納夫從理論方法上指導他的兩名博士后助理通過解析結構完成了一套氧化物的搭建工作。他要求他們查明在什么電位下鋰離子可以從那些氧化物中脫出——他預計結果會比懷廷漢姆的電池高出2.2伏或者更多——他也極度關心從這種（氧化物）原子結構中能夠脫出多少鋰。

他們的答案是，在材料失效之前，有大約一半的鋰可以在4伏（vs Li/Li+）左右脫出陰極。對于動力型、可充電的電池來說，這足夠了。在他們測試的所有氧化物中，這些博士后發現，鈷是目前最好也最穩定的。

在古迪納夫抵達牛津的四年后，也就是1980年，鈷酸鋰的拼圖最終完成，這是一個遠比福特的鈉硫體系更加重大的突破。它是第一個具有容量的鋰離子陰極，當安裝在電池中時，它能夠為緊湊型和相對較大的器件供電，但就這一點就使其遠遠優于市場上的任何同類。由它配套的電池可以產出多達任何室溫可充電電池兩到三倍的能量，而這種電池可以被做的更小并輸出相同或更好的性能。

圖6. 照片攝于1982年的牛津大學，約翰·古迪納夫位于第一排左二，兩年之前他發明了鈷酸鋰陰極（Courtesy of John Goodenough）

1991年，索尼將古迪納夫的陰極和一種碳質陽極相結合，制成了世界上第一款商用可充電鋰離子電池。而結果就像是在知乎上過夜后的千贊——一夜成名。除了電池的銷售額之外，索尼也借著東風解決了他們一款領先的電子產品的問題——手持式攝像機。之前可用的電池對于手持式視頻的拍攝來說太笨重，但是鋰離子電池的加成，使得索尼可以開發新式的時髦相機，并且最后它們也成為了暢銷品。

競爭對手們很快就開啟了山寨模式——從電池到手持相機，接著便將鋰離子電池放入筆記本電腦和電池手機中，共同創造了年產幾十億美元的小型電子產業。鋅—碳和鎳鎘根本就無法在質量比能量（能量密度的一種）匹敵于鋰離子電池，而前者還是不可充電式的。索尼的突破引發了世界各地實驗室的熱潮——找到可以在更小的空間中打包更多能量的更為優異的鋰離子電池構型。

然而，盡管他在第一款商業化鋰離子電池中扮演了核心角色，但古迪納夫并沒有獲得版稅。牛津拒絕為古迪納夫的陰極申請專利——這所大學似乎并沒有從這項知識產權中看到優勢。最后，古迪納夫將版權轉授給了原子能研究所，這是一個位于牛津南部的英國政府實驗室。古迪納夫覺得這樣，至少他的發明可以進入市場。他從來沒有想像過市場的規模。沒有人想到。

但是，古迪納夫的發明不僅僅引領了現代手機和筆記本電腦的紀元。由于鋰離子電池相對于它所帶的電量來說較輕，因此它也重啟了制造經濟型電動汽車的可能性。

一項為騙子們量身定做的技術

在滿是發明創造的時代里，也同時滋生著江湖騙子與街頭叫販，因為沒有人能真正知道哪一個產品會成為下一個博南扎（富礦帶，象征著財富）。而電池的標記則是那么的異乎尋常，充斥著十足的夸大與明顯的欺詐：因為在直覺上，人們就明白一顆更好的電池的重要性，所以認為世界應該要有一個，這種直覺使得他們非常容易上當。1883年，在創建他的電子帝國的過程中被誤導過多次的托馬斯·愛迪生，將可充電電池總結為一則童話。他寫道：在我看來，蓄電池就是一個廉價品，是股票公司詐騙公眾的機制與噱頭。它是那些引人浮想聯翩的眾多奇異事物之一，對股市騙子來說沒有比這東西更加完美了···只要一個人致力于二次電池的研究，這玩意就會激發出他潛在的撒謊能力。

古迪納夫想起了一位日本材料學家的故事，主人翁的名字叫做岡田重人。岡田于1993年來到德克薩斯大學，而古迪納夫去年剛從牛津搬來。他來自日本電訊電報（NTT）公司，這是日本的電話巨頭，他們想以公司資助的形式請求允許他能進入古迪納夫的團隊之中。經過日常的保密協議商談過后，古迪納夫同意了。他將岡田安置在一位名為阿克沙亞·帕迪的印度博士后身旁參與工作。

帶領著這樣一群研究人員，古迪納夫身處于材料學家們的奇特世界之中，這是一群結合了物理的直覺、化學的謹慎與工程的實用主義的人。他們的角色便是用現有的實物來構造一個新的秩序。帕迪和岡田開始了修修補補，試圖找到一種比以往具備更高能量、更高穩定性的電池。

他們認為具有尖晶石型晶體結構的陰極可能會達成目的。在常規的鈷系陰極中，原子們層層堆疊，所以儲存于內的鋰離子只允許沿著這些片層來回脫嵌。在尖晶石中，原子排列的方式允許離子可以在三維空間中擴散，因此它們可以在多個通道中往返于電極材料，這使得電池可以更快地進行充放電。1982年，還在牛津大學的古迪納夫手下的一名博士后助理邁克·薩克雷（Mike Thackeray）發明了一種開創性的錳基尖晶石陰極，比古迪納夫剛剛于前一年發明的鈷酸鋰更便宜也更安全。也許帕迪和岡田可以做出更好的尖晶石。

他們開始系統地調換金屬元素，看看是否有任何的可能性符合導師的目標。他們嘗試了鈷、錳和釩，但沒有一個是對的。最終，他們將名單縮減到最后的選擇——鐵和磷的組合。古迪納夫懷疑這兩元素可能無法實現尖晶石構型，并將這個想法告訴了帕迪。而后，老人便離開度假去了。

回來之后，迎接古迪納夫的是振奮的信息。帕迪說教授的想法是對的——他沒能實現尖晶石結構。相反，他生成了一種不同的、自然存在的、被稱之為橄欖石的晶體結構。他已經成功地實現從橄欖石中脫出鋰，并將其回嵌。在檢查過后，古迪納夫認為這個結果絕對會震驚世界。這已經是第三次了——先是鈷酸鋰，再是錳基尖晶石，而現在又多了磷酸鐵鋰——古迪納夫的實驗室已經成為了輸出具備商業化潛質的鋰離子電池主要陰極材料的發源地。

圖7. 一張橄欖石結構的充放電圖，這種晶體結構被發現于古迪納夫實驗室

古迪納夫直到很久以后才發現——岡田——這位日本研究人員——跑去向自己的雇主泄露了帕迪的發現，該公司繼而自己秘密地開發了配方與化學式。1995年11月，使用了帕迪方法的NTT公司悄無聲息地申請了專利，并開始游說日本的電商，將他們的興趣轉向這種新型的磷酸鐵鋰電池。

古迪納夫在第二年才聞風而至，然詭計已出。他簡直難以置信， “帕迪，天吶，他是一個間諜，”他幾乎是喊著他的博士后。“醒醒吧，開始把信息放在你自己的筆記本上。”他的意思是說，帕迪應該把自己的工作與數據寫在他的實驗室書記錄本上，假如有一場知識產權的戰斗要打的話，這份記錄將會至關重要。

“對不起，”帕迪如是回答古迪納夫。“他是我的朋友。”

一場關于優先權的競賽打響了。日本人和美國人在不斷地刷新文章，專利申請也層出不窮（圖7）。德克薩斯大學代表古迪納夫的實驗室向NTT公司提出了五億美元的訴訟。

然而，情況在接下來變得更加復雜了。麻省理工學院一位名為蔣業明（Yet-Ming Chiang）的教授開始搬弄古迪納夫的想法，并提交了自己的專利。蔣業明和他的合作伙伴建立了A123（這是一家位于馬賽諸塞州的公司），并聲稱他的改進已經是創造了另一種新的材料了。他定期的意向就是出售某個類型的磷酸鐵鋰電池并用于電動工具，最終轉向機動車輛。這又為古迪納夫拉鋸了另一條法律戰線，因為蔣業明的公司著力勸說一家歐洲仲裁會駁回老頭的那些專利，而此事也終在2008年板上釘釘。

結果就是一場混戰，其于2008年下半年來到了高潮，此時沃倫·巴菲特（Warren Buffett）花了2.3億美元購買10％的比亞迪股份，后者是家推出了一種新型磷酸鐵鋰電動汽車的中國汽車公司。沒有人談及比亞迪電池的源頭，但是自從蔣業明的那次舉動之后，業界的印象是，古迪納夫實驗室的發明也許遍布各處。

圖8. 2010年的金屬磷酸鋰鹽專利情形，涉及的單位有：University of Texas System、Sony、Hydro-Québec、NTT、Valence Technology、Toyota、Sanyo、A123 systems、BYD、Shenzhen BAK battery、Yuasa。

2009年，A123首次公開發行股票。蔣業明的個人魅力、麻省理工學院的名頭和泰晤士日報的大嗓門創造了一股耀眼的光環，于是股價在交易的第一天就飆升了50％。蔣業明的公司籌集到了5.87億美元，是當年最大的新股首發（IPO），那天對他以及所有參與者來說都是一場發薪的狂歡。再一次地，除了古迪納夫以外。

最終，德克薩斯大學與NTT公司達成了庭外和解，他們需要向這所學校支付3000萬美元以及所有從那些日本專利中盈利的抽成。NTT沒有違法的事實得到承認。而古迪納夫也從A123上空手而歸。

從之后發生的事情來看，你也許會覺得真有某種遲到的正義。2012年——僅僅在其IPO三年后——A123以破產告終。比亞迪依舊靠著其限定意向賺得盆滿缽滿。但是，古迪納夫始終認為這次磷酸鐵鋰羅生門的結果就是一場滑稽模仿。德克薩斯大學雇用的律師只是一位侃爺，大話不離嘴邊的他對那些奸詐的訟棍而言不過嚶嚶雛兒。電池的世界充滿了夸張，有人需要站起來直面他們。“他們想要錢，”他說。“而有些人還要更糟。”

最后一個大想法

古迪納夫的妻子艾琳（Irene）一直患有阿爾茨海默氏癥，而去年，他將她放在了一家護理中心進行全天候的護理。他的哥哥，沃德（Ward），在93歲逝世。

當你是一位90多歲的偉大發明家時，有很多榮譽加身。古迪納夫也一樣，幾乎每年都會被提名諾貝爾獎，與之并列的是吉野彰，一位將美國人的陰極與一種碳質陽極結合制造出第一款可以正常工作的鋰離子電池（索尼的一鳴驚人）的日本化學家。在2013年，古迪納夫獲得了奧巴馬總統頒發的美國國家科學勛章，而早在2009年他就獲得了恩里克·費米獎。事實上，古迪納夫有自己的同名獎——自2009年以來，英國皇家化學學會便已經開始頒發一年一度的約翰·班尼斯特·古迪納夫材料化學獎）。

圖9. 英國皇家化學會在牛津設立的藍色牌匾，以紀念在此為可充電電池作出的偉大貢獻，古迪納夫的名字赫然在列，資料來自John B. Goodenough

但是，古迪納夫似乎最熱衷于以最后一個大發明結束他的職業生涯。當然，他正在嘗試制造一種超級電池，一種將使電動汽車真正可以匹敵與內燃機車的電池，一種可以經濟地存儲風力和太陽能的電池。

但他選擇的道路上存在著電池科學中最棘手的問題之一，那就是如何用純鋰或鈉金屬制成陽極（圖10）。如果這項技術完成的話，所得到的電池將比目前的鋰離子電池多60％的能量。這就能立即將電動汽車推向一場新的與內燃機車的白刃戰。多年來，無數科學家都前仆后繼、并倒在沙灘之上——例如，在1970年代，就是鋰金屬不斷地點燃斯坦·懷廷漢姆在埃克森的實驗室。

圖10. 古迪納夫和他的新發明，資料來自Battery Legend Goodenough Now Betting On Solid-State Batteries

雖然現在古迪納夫不會再明確地透露自己的想法，但他覺得他已經走在道上了（現在我們都知道是固態電池與玻璃態電解質了）。而且，鑒于他過往的記錄，業內都不會再去魯莽地質疑（當然，科學還是需要理性懷疑的）。“他還是很機智。他的思維還在轉動不停，“南非科學家薩克雷如是說，正是在古迪納夫的手下他發明了尖晶石錳酸鋰，而現在他在美國的阿貢國家實驗室任職。“如果一個領域將會迎來突破的話，它將會出自于那種體系內的不同尋常抑或超凡脫俗。而約翰（古迪納夫）的創造性思維則處在框架之外。”

當然，賭注很高，古迪納夫摒棄了許多頗有競爭力的方案——就比如特斯拉的伊隆·馬斯克，這位他覺得滿足于向好萊塢富人們售賣豪車的企業家就始終在等待科學家們打造一款可以驅動一輛中產階級電動汽車的電池。當然這也不十分準確——馬斯克顯然正將他那8~10萬美元的汽車投入精英市場，而到2018年，他宣布要為更廣泛的市場受眾提供價約35000美元的車型（就是Model 3）。通過極致的工程技術來為他的電池提供小型增益的改善，馬斯克已經看到了曙光。

然而，古迪納夫對此修修補補以及其每年約增加7~8%的效率同樣不屑一顧。“你需要的是一小步跨越”，他說，“而不是一個增量”。

沒有人，包括他自己，可以肯定地說，古迪納夫這次會成功。我們只知道他不曾放棄過。 超級電池所要面臨的問題真的很難。古迪納夫自己說，其他人也應該持續努力實現跨越。他認為，在環境和資源短缺等真正嚴重的問題出現之前，這個領域還有三十年的時間來獲取成功和商業化突破。而這余量，他認為應該夠多了。“有很多正致力于此的人們，他們都不蠢，”他說。“我沒有說我是唯一可以解決問題的人。”

再一次地，他也許還真是那個人。這就是為什么這么多的人——那些知道他的人——都恨不得生吞活剝地盯著約翰·班尼斯特·古迪納夫（John Bannister Goodenough）。

延伸閱讀

任何事物發展都是有（大量的）時間積累，電池也赫然在列。不妨看看下表：

補圖3. 1900~2010歷史舞臺上各類電池的質量能量密度演變，資料來自Thermodynamic analysis on energy densities of batteries。

在1940年以前，鋅錳類（Zn/MnO2）的一次電池牢牢占據著電子消費類產品的市場，直到60年代那會，堿性鋅錳電池（Zn/KOH/MnO2）還是消費類的大當家，不過質量能量密度已經可以從40Wh/kg提升到100Wh/kg了，當然，即便是現在，堿性鋅錳電池這種一次電池因為自身的低成本，還是能在很多地方得到發揮。然后就是一次的鋰/二氧化錳電池（Li/MnO2等等）和鋅空氣電池（Zn-Air）在70年代的悄然冒頭（其實人家也是在實驗室內不斷成熟完善），直接把質量比能量翻了一倍，提升到了250Wh/kg的水平。再來到80年代，一次的鋰/二氧化硫（Li/SO2）和鋰亞硫酰氯（Li/SOCl2）電池在特殊領域被開發出來，而電池的質量比能量直達380Wh/kg。而事實上，干性聚合物電解質鋰電池在80年代業已萌芽，它們的質量能量密度范圍大致在220~280Wh/kg內，只不過這個分支一直處在研發階段而且被視作二次電池。

回過頭來，可充電的鉛酸電池已經經歷了商業化的100多個年頭，而其質量能量密度也只是從最初的25Wh/kg漸漸的爬到先今的55Wh/kg，但是因為它具有較高的可靠性、低成本、適中的功率密度、可接受的循環性能等等優勢，鉛酸電池現在依舊是許多電動設備啟動點火程序以及各種備用電池的主要選擇。鎳鎘電池在鎳氫電池和鋰離子電池主導的90年代以前，一直是許多小型便攜式電子設備的主要能源提供者，當然了，因為自身對環境所造成的沖擊也導致其后續的市場份額大幅下滑。在80年代的早期，一種可充電式的鈉硫電池被開發出來，在300°C的溫度下，它能發揮出100~150Wh/kg的質量能量密度。如今，鈉硫電池也是為負載調衡所用的大型固定電池的多種選擇之一。鎳氫電池帶著50~80Wh/kg的能量密度輕輕地出現在1989年的市場上，幾乎兩年之后，它就見到了從索尼公司商業化的鋰離子電池，電池的質量能量密度也穩中有升地從90Wh/kg漲到210Wh/kg。

從1950年到2010年這60年間，對于商業化的二次電池，它們的質量能量密度平均是每年增長3Wh/kg，如下圖所示：

補圖4. 商業化二次電池的質量比能量密度的演變史（1900~2010），資料來自Thermodynamic analysis on energy densities of batteries

按照這個增長率，從現有的210Wh/kg（2010年）要達到New Energy and Industrial Technology Development Organization（新能源及產業技術開發機構，以下簡稱NEDO）的500Wh/kg和700Wh/kg這兩個目視可及的質量能量密度指標，分別需要再過100年和167年，也就是2110年和2177年。更加現實的說，在1990年到2010年這20年間的電儲能系統的質量能量密度增長率因為鋰離子電池的被發明和改進而被加速至年均5.5Wh/kg的速度，在上圖中的實線段中顯示。即便是根據這個速度，要達到NEDO的500Wh/kg和700Wh/kg這兩個目標也分別要等到2064年和2100年。

在上面兩張圖內，大家也看到了，電池體系的能量密度以20~30年的區間段為一個穩定增長期，直到下一個新技術出現期為止。

縱觀電池發展的歷史，電池能量密度的提升往往是突變型的。這也是為什么古迪納夫他們談及電池技術的跨步是如此艱辛的原因，請大家給古老爺子多一些寬容，也請大家給真心致力于這份事業的人們多一些耐心，謝謝。

本文出自知乎用戶土豆泥的專欄文章：美麗的心靈（一）——鋰電之心1

材料牛編輯整理。

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