“锂电池之父”古迪纳夫的传奇人生

高荣伟

2019年10月9日，瑞典皇家科学院宣布将2019年诺贝尔化学奖授予“锂电池三杰”：斯坦利·惠廷汉姆、约翰·古迪纳夫、吉野彰，以表彰他们在锂电池研究开发方面的卓越贡献。评奖委员会称，他们为人类带来“前所未见的强大电池”，创造了一个“可充电的世界”。如果没有他们发明的锂电池，“就不会有今天的智能手机、平板电脑或笔记本电脑”。

三位科学家当中，给人印象尤其深刻的是有“锂电池之父”之称的古迪纳夫（John B. Goodenough）。这位97岁高龄的科学家不仅打破了2018年由获得诺贝尔物理学奖的阿瑟·阿什金保持的96岁高龄纪录，成了诺贝尔奖史上最年长的获奖者，而且以其勇立创新潮头、矢志追求卓越的科研人生，为现代锂电池的横空出世做出了非凡的贡献。

而立之年还在“挣扎”

古迪纳夫，1922 年 7 月 25 日出生于美国，在家排行老二，他上边有一个哥哥，父亲欧文是耶鲁教授。

有人说，天才的童年要么有一个哥哥，要么有一条狗相伴。古迪纳夫也不例外。童年的时候，因为父母常闹离婚，再加上年长的哥哥忙于自己的事业，古迪纳夫常常离群索居，他唯一的玩伴就是Mack。Mack是一条小狗。

儿时的古迪纳夫，学业并不顺利。小古迪纳夫患有先天性读写困难症，他的学习成绩总是差强人意。他喜欢在大自然中游荡，探索树林里的奥秘，抓蝴蝶和土拨鼠。正是与大自然亲密接触的过程培养了他热爱自然，渴望探索自然，发现其中奥秘的情怀。

古迪纳夫在其自传里这样说，“一个人想要有所成就，就要忍受孤独。唯有在孤独中，人的灵魂，才能与上帝、与神秘、与宇宙的无限之谜相遇。”正如托尔斯泰所说，在社会交往中，人面对的是部分和人群，而在独处时，人面对的是整体和万物之源。

有一次，古迪纳夫在一片旷野里行走，捉住一只臭鼬。他扒了一张臭鼬的皮，感觉非常地好玩，但拿回家后挨了妈妈一顿臭骂，晚上的时候还被妈妈禁止进屋吃饭。寒风中，委屈的古迪纳夫站在门外瑟瑟发抖，但妈妈似乎丝毫都不可怜他。缺少母爱的古迪纳夫决心在学业上有所作为，他开始读书了，而且近乎疯狂。

高考前夕，古迪纳夫的父母离婚了，老爸娶了自己的研究助手，这对正忙于高考的古迪纳夫产生了不小的心理影响。毕竟，以前的他好坏还有一个“家”，而如今正在“冲刺”的他只有孤灯陪伴，对着厚厚的一摞书本，他只有咬牙坚持了。

出人意料的是，古迪纳夫居然克服了種种障碍，一举考入了耶鲁大学。收到耶鲁大学通知书的时候，他父亲给了他35美元，对他说：“小子，拿去吧，你可以去上大学了。”临走，甩给他一句话：“不够的部分，自己想办法。”

那时，耶鲁大学每年的学费大概是900美元。古迪纳夫只好利用暑假给人洗车和送报纸挣钱，还好，在开学前夕，古迪纳夫挣到了足够的学费。为了维持生计，在耶鲁期间古迪纳夫每周工作21小时，有时还去给富人家的儿子们补习功课，再加上奖学金，这让古迪纳夫有了足够的钱来支付学费，养活自己。

在耶鲁大学，古迪纳夫先是学习古典文学，之后转到了哲学。大一的时候为了凑学分，古迪纳夫选修了两门化学课。后来，古迪纳夫碰到的一个数学教授，看他天赋异禀，就鼓励他学习数学。他听从了建议。耶鲁毕业的时候，古迪纳夫取得了数学学士学位。

短短4年间，古迪纳夫换了四五个专业方向，这让他在每一个专业学习上都不够深入。不过，也许正是这一“丰富”的学习经历，对他日后的科研生涯做好了铺垫。

“二战”爆发后，古迪纳夫加入了美国空军，他被派到太平洋的一个海岛上收集气象数据。他的职责是提供战时战术飞机穿越大西洋所需的气象预报。服兵役期间，古迪纳夫读了Whitehead 著的《Science and the Modern World》（《科学与现代世界》），这本书一直激励着他不放弃物理梦想。

战后，古迪纳夫所在的部队驻扎在葡萄牙，这个时候他已经是一名陆军上尉。他回忆说：“不久，幸运之神来敲门了，一份电报过来，要求我48小时之内回到华盛顿报到。”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。“听到这一消息，我简直有点欣喜如狂。”就这样，时年23岁的古迪纳夫带着未竟的物理梦想进入了芝加哥大学。

报到的那一天，一位面试官很是瞧不上这个吹了4年海风的大龄青年。面试官嘲笑道：“我不明白你这个老兵来干嘛！在你这个年纪，科学家早已经做出他们最大的成就了。”说的也是，那个年代风靡全球的学界领袖们，在古迪纳夫这个年龄，早已经硕果累累，功成名就了。爱因斯坦26岁提出相对论，爱迪生32岁点亮了白炽灯，居里夫人36岁时已经拿到了诺贝尔奖。“屈指算来，7年后，当我拿到博士文凭的时候，已经是而立之年了。”

执拗的古迪纳夫没有动摇自己的决心。古迪纳夫说：“我们有些人——比如我，就像是一只乌龟，走得慢，一路挣扎，到了而立之年还找不到出路。但乌龟知道，它必须走下去。”

在芝加哥大学，古迪纳夫主攻固体物理，和杨振宁先生做了同学。此时的芝加哥大学，物理系人才济济，大师云集，包括誉满全球的费米和泰勒教授，而泰勒正是杨振宁的导师。古迪纳夫也很幸运，他的导师是大名鼎鼎的物理学家克拉伦斯·梅尔文·齐纳（Clarence Zener）。顺便一提，齐纳在30岁时已经发明了著名的“齐纳二极管”，享誉学界，他也是诺贝尔奖的获得者。师从齐纳，这对古迪纳夫未来钻研动力电池材料研究，发明新型锂电池产生了重要的影响。

古迪纳夫获得固态物理博士学位后，被推荐去了麻省理工的林肯实验室，进行关于内存的材料物理研究。在这里，他对随机存取存储器的发展做了贡献，这个技术就是后来的电脑内存。值得一提的是，在此期间，他第一次接触到了电池，不过当时他研究的还是钠硫电池。

便携式新能源时代的推动者

1976年，牛津大学化学系的岗位出现了一个空缺，凭借在麻省理工林肯实验室的出色工作，古迪纳夫轻松获取了这个职位。这年，他54岁。

在牛津大学，古迪纳夫以治学严谨而名声在外。他教的一门物理课第一堂来了165个学生，教室里学生挤得水泄不通。等到第二堂的时候，只来了8个学生——学生们都被他给吓跑了。但古迪纳夫不为所动：“学习需要刻苦，懒惰懈怠者，请自便。”他还告诉他的学生：“懒惰、懈怠和愚昧是影响人生的三种邪念”，“请远离低质量的勤奋，因为那比懒惰更可怕。”

初到英国，古迪纳夫努力适应着伦敦阴郁的天气和清淡的饭菜，无论如何，他也没有想到，这里将会是他人生的一个重要转折点——在这里，他的目光转向了电池。

1970年代后期，有一种电池因为使用金属锂作为电极，而被称为锂电池。它的发明人叫斯坦利·惠廷汉姆。惠廷汉姆采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制造了首个小型化锂电池，电流为2v。同样质量下，锂电池能比其他电池储存更多的电能，因此很受市场青睐，比如当时“大哥大”手机使用的就是这种锂电池。

惠廷汉姆迈出了可贵的第一步。不过，惠廷汉姆的锂电池用金属锂作为电极材料，在使用过程中存在严重的安全隐患。据了解，金属锂是世间最活泼的元素之一，甚至与氮气都能发生反应，生产组装过程中稍有不慎，泄进了空气，轻则电池报废，重则起火燃烧，因此无法投入规模生产。在北美问世还不到半年，这种锂电池就因为多起起火爆炸事故而被召回。

然而，便携式锂电池诱人的前景，吸引着无数的化学家投入到锂电池的研究中。此时，古迪纳夫远在牛津，虽然只学过两门化学课，但凭着过硬的固体物理功底，研究起一种神奇的材料——钴酸锂。

钴酸锂的内部是一种晶体结构，如果把钴酸锂想象成一个汉堡包，钴-氧构成了两片面包，那么，锂原子就是中间的牛排，能被很轻松地抽出。正因如此，这种钴酸锂可以取代金属锂，作为电池中锂离子的提供者。而且，这种氧化物可以拔高电池的使用电压，从而提升电池储存的电量。更为重要的是，钴酸锂对空气等不敏感，“相较发疯的公牛金属锂，钴酸锂乖巧得如同得到了棒棒糖的小孩”。

1980年，古迪纳夫尝试用钴酸锂与石墨组成新的锂电池。古迪纳夫的新电池拥有更小的体积，更大的容量和更加稳定的使用方式，因此颇受市场欢迎。古迪纳夫研制钴酸锂来取代金属锂，既解决了电池的安全性问题，又降低了电池的制造成本，实现了锂离子电池技术的革命性突破。

媒体报道，索尼公司利用古迪纳夫的理论在1991年制作出了世界上第一款全新的可充电商用锂电池。这种锂离子电池一经问世迅速在全球推广。

“古迪纳夫的钴酸锂简直如同一道光，照亮了索尼的前程，帮助索尼一跃成为行业老大。”从此，手机、照相机、手持摄像机乃至电动汽车等领域各自步入了便携式新能源时代。

“没有钴酸锂，我们的手机只能停留在大哥大那个板砖与手机齐飞的年代。”有媒体如是评论。钴酸锂使得古迪纳夫一跃成为炙手可热的化学家。

1986年，古迪纳夫回到了祖国，进入德克萨斯州大学奥斯丁分校。当大家都以为这个教授准备在德州安心养老时，谁都没有料到，他已经将目光转向了另一个材料。

新电池中，钴酸锂虽然储能性、安全性都不错，但是远称不上完美。在长时间使用后，钴酸锂的层状结构极易崩塌，这就好比，“把汉堡中间的牛排抽出来，两层面包片自然要塌到一起”一样，一旦崩塌，新电池将无法再进行锂离子的存储，由此造成电池整体的性能衰减。

古迪纳夫意识到了这一缺陷。新电池远远不能满足动力电池时代电动汽车储能对锂离子电池原材料的需求。于是，64岁的他又踏上了新的征程。

新锂电池足够好了吗

10年后，古迪纳夫又一次让世界震动了。

1997年，他拿出的材料叫做磷酸铁锂。此时的锂离子电池，早已成为各大电子消费品的主要组成，甚至连电动车也被囊括进了它的“版图”。这年他75岁。古迪纳夫发现的磷酸铁锂这样一种新型材料，不仅更为便宜，而且更安全，构成了现代电动汽车时代非常重要的基础。随着电气化革命的到来，动力电池当仁不让成为其中的代表，走入了电动汽车、储能、电子设备等各行各业。

“先有钴酸锂，后又有磷酸铁锂，古迪纳夫‘锂离子电池之父的称号当之无愧。”《华尔街日报》发表评论指出。直到现在，我们每天都离不开的手机，电脑中的锂电池的正极材料仍然使用的是古迪纳夫1980年左右发现的钴酸锂。“今天，多虧了这位著名的化学家，我们才能每天舒舒服服在地铁、公交车，在公园里玩手机。”

古迪纳夫没有到此止步，他又毅然投入到全新的电池研究中。“世界需要一个新型超级电池，或者说，我们必须为环境问题和能源问题而做出改变。”他脑海中下一个可能改变世界的创新，是全固态电池。当做出这个决定时，他90岁。

这个理念一直在古迪纳夫的脑海中盘旋。直到3年前，他偶然发现了一份来自葡萄牙的研究成果。这项研究宣称制造了一种玻璃，具有良好的锂离子传导能力，并且稳定性极好。古迪纳夫认为这种玻璃是上帝赐予他的一个礼物：“就在我寻找着什么的时候，它就走了进来。那是多么美妙的一种感觉啊！”

于是，他立即说服这位名叫布拉加的物理学家搬到奥斯汀，并立即将这种玻璃引入到全固态电池的研发中。很快，古迪纳夫的全固态电池诞生了……

古迪纳夫一直在研制锂电池之路上顽强地攀登。他的步伐沉稳、坚实而有力。与此同时，各种头衔与赞美接踵而至。如今，古迪纳夫几乎得到了一个科学家能得到的所有荣誉：古迪纳夫是美国国家工程院、美国国家科学院、法国科学院和西班牙皇家学会的院士成员；古迪纳夫还是 2009 年恩里科·费米奖（Enrico Fermi Award）的共同获得者；2013 年，古迪纳夫获得美国国家科学奖章。

如今，人类已经须臾不能离开锂电池。锂电池作为最主要的可充电、便携式能量源，影响着我们生活的方方面面。锂电池和晶体管一起被视作电子工业中最伟大的发明，锂电池产业已经接近年产几十亿美元，为人类的日常活动提供着源源不断的动力。

锂电池——good enough（足够好）了吗？古迪纳夫不这么认为，刚刚夺得诺奖的古迪纳夫依然在科研道路上坚持不懈地探索着。在他看来，进行锂电池研究就是他最大的快乐。

他说：“我的下一个目标是一种真正能让电动汽车和内燃机汽车匹敌的超级电池。”年近百岁的古迪纳夫雄心勃勃：“我希望这种电池可以经济地存储风能和太阳能。”他说，“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。我希望死前能看到这一天。我今年 97岁，还有时间。”

实际上，古迪纳夫从来就没觉得自己——good enough了，每一天，他都在进行着他的研究——收集线索，完善资料，继续向前。他常常重复“爬行乌龟”的比喻：“是的，这种贯穿一生的爬行，总会带来预料不到的好处，尤其是在你不断穿越，一路收集各种线索的情况下。”