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97岁诺奖得主的励志人生:本科学文学,54岁才开始锂电池研究

  郭一璞 乾明 发自 凹非寺 
  量子位 报道 公众号 QbitAI

  97 岁,他还奋战在科研一线。

  John B. Goodenough,人称“足够好”老爷爷,刚刚加冕诺贝尔奖。

  10 月 9 日,2019 年诺贝尔化学奖颁向锂电子领域。

  Goodenough 与M. Stanley Whittingham,以及日本科学家吉野彰(Akira Yoshino)共享了这一奖项。

  以表彰他们在锂离子电池领域作出的贡献。

  诺贝尔评奖委员会称,三人的研究使锂离子电池的使用方式更加稳定,从而开启了电子设备便携化进程,为打造一个无线互联的社会奠定基础。

  引用果壳更科普化的解释,如果没有没有他们,我们每天形影不离的手机就是个随时可能点燃的炸药包。

  而且 Goodenough 今年加冕,也刷新诺贝尔奖新纪录——以 97 岁高龄,成为最年长的诺贝尔奖得主。

  在此之外,他还是美国国家工程院、美国国家科学院、法国科学院、西班牙皇家科学院、英国皇家学会会员,撰写了超过 550 篇文章、参与 85 本著作的编写,是 2009 年费米奖得主、2017 年威尔齐化学奖得主,还获得了英国皇家学会的科普利奖章。

  但这还不是 Goodenough 令人称奇、敬佩的全部。

  当他获奖,外界关注他的履历,才发现其充满坎坷和跌宕的一生,简直就是传奇的一生、榜样的一生,励志的一生。

  很难想象,这位锂电池之父患有阅读障碍症,家庭并不和睦,大学历经二战,30 岁才拿下博士学位,年过半百才正式研究电池能源。

  之后一路开挂,58 岁发明钴酸锂电池改变世界,75 岁以磷酸铁锂电池再度改变世界,90 岁以后开始研究全固态电池。

  至今如此高龄,依旧每周上班 5 天,仍旧有新研究成果问世。

  如果你会有“现在做 XX 是不是太晚”的疑惑,一定要看看 Goodenough 这传奇的一生。

  如何成为锂电池之父?

  我们先从 Goodenough 如今成名作说起,看看他的科研之路。

  Goodenough 的博士本身读的是固态物理,30 岁从芝加哥大学博士毕业,之后去了 MIT 林肯实验室,研究内存的材料物理和固态陶瓷。

  24 年之后,Goodenough 进行了人生第一次“跳槽”。

  那年,牛津大学需要一位能教无机化学,同时也能管实验室的教授。

  Goodenough 虽然研究的是物理,但他本科的时候为了凑学分学了两门化学课,就因此意外的被选中了,进入牛津大学任教,并成为无机化学研究负责人。

  正是这一次跳槽,让 Goodenough 终于在 54 岁的年纪开始了一项改变世界的研究。

  Goodenough 在牛津主要研究的课题是可用于能量转换的新材料。当时他初到英国,英国化学家、和他一起获得诺奖的 Stanley Whittingham 发明了最早的可充电锂电池,借助锂能嵌入二硫化钛层间这一特性,用二硫化钛做正极,用锂做负极。

  当时的消费电子产品只能使用不可充电的碳锌电池,虽然已经有了可充电的铅酸电池,但毕竟用在电动车上的铅酸电池那么笨重,是没法拿来做消费电子产品的。

  而 Whittingham 的这项研究,不仅可以靠锂离子的运动进行充电,还能用在小型设备上,并在室温下运行,解决了两种电池的痛点。

  但 Whittingham 的研究是没法直接用的,因为有一个大 bug:安全问题。

  正极,二硫化钛,在空气中是非常不稳定;

  负极,锂,这种金属是易燃;

  而且,在充放电过程中,锂会快速沉积产生枝晶,这样就容易让电池短路,这也是现在电动车自燃的元凶之一。

  所以 Whittingham 发明的这种电池虽然原理可行,但容易爆炸,是个危险品,完全没法应用,需要把正负极的材料都换掉才行。

  这个时候,学了 30 年物理的 Goodenough 有了一个大胆的想法:把锂换成氧化物吧。

  他判断,氧化物可以让电池在更高的电压下进行充电和放电,根据物理学原理,这种电池会产生更多的电量,并且挥发性会更小。

  于是他测试了各种氧化物,发现如果把钴这种元素放进去会比较稳定。

  终于,在 Goodenough 到达牛津的四年后的 1980 年,57 岁的他和水岛公一、Philip Jones、Philip Wiseman 共同发现了钴酸锂这种物质,让 Whittingham 的锂电池变得稳定多了。

  在他的实验室外面,英国皇家化学学会树立了这块蓝色的牌子,纪念钴酸锂的发现。

  不过,钴酸锂中的锂和金属锂的化合价是不同的,钴酸锂在电池里是一种正极材料,为了凑成一块电池,还需要找一种负极材料。

  这个时候,日本的索尼出现了,他们发现了石墨可以拿来做负极材料。

  然而在英国,因为此前发生过爆炸事故,大家闻锂电池色变,甚至 Goodenough 工作的牛津都不愿意帮忙申请专利,而是让英国原子能研究机构申请到了这个专利,后来被索尼买走。

  于是,索尼成功接下了这个“烫手山芋”,并和自己研发的负极材料放在一起,创造了新的电池,并将之商业化,用在了各种各样的电子产品中。

  而 Goodenough,甚至没有从如今这价值 350 亿美元的锂电池市场中赚到钱。不过他本人后来在接受c&en 采访的时候反而很淡定:“我当时并不知道它会值这么多钱。”

  虽然在 57 岁才发现了让他名声大噪的钴酸锂,但 Goodenough 似乎就是一个耐久型选手,后来还发现了许多种电池材料:1983 年,61 岁的他发现锰尖晶石正极材料;1997 年,75 岁的他发现磷酸铁锂正极材料,这些都是电池正极的升级替代品。

  甚至,为了持续做研究,他还打了牛津退休政策的擦边球。

  本来,牛津大学要求 65 岁强制退休的,但 Goodenough 不想退休,于是他在 64 岁的时候又跳槽了。

  这次,他回到了美国,在德州大学奥斯汀分校当机械工程和材料科学教授,继续做研究。

  阅读障碍症患者,文学少年读物理 PhD

  Goodenough 出生于 1922 年,这是一个科学蓬勃发展的时代。

  在这一年,法国医生卡雷尔发现白血球,加拿大科学家班廷制成人造胰岛素。

  波尔因关于原子结构以及原子辐射的研究获得诺贝尔奖。

  之后,费米、薛定谔等量子物理领域的大佬开始展露锋芒。

  儿时的 Goodenough,虽然家就在耶鲁附近,不过出生在了一个学文科的家庭,似乎离这些自然科学家们有些距离。

  但数十年后,他也将成为他们中的一员。

  当时,摆在他面前的,是怎么克服自己的阅读障碍症。因为阅读障碍症,在小学和中学时代,他受到了不少同学的戏弄。

  但在求学过程中,他也慢慢从大自然,以及诗歌和宗教哲学中获得了力量,赢得了学校的奖学金。

  1940 年,18 岁的 Goodenough 考入了耶鲁大学。

  对于他来说,这种对家庭的逃离让他松了口气,因为他父母关系并不好。

  就在考入耶鲁大学之前,他的父母离婚了。他父亲(历史教授)很快就与自己的研究助手成婚。

  这个环境让他颇感压抑,而且他与自己父亲的关系并不怎么好。

  他去耶鲁读书的时候,只从家里拿到了 35 美元的资助,而耶鲁的学费至少每年 900 美元。

  好在他有奖学金,校长还帮忙安排他去给有钱人家的孩子当家教,靠着半工半读养活自己,他再也没问家里要一分钱。

  用 Goodenough 的原话说,就是“每周工作 21 个小时挣自己的 21 顿饭。”

  进入耶鲁之后,Goodenough 还是遵循着自己的兴趣,先是选了古典文学,后来转到了哲学,期间还学习过化学。

  之后,在一名教授的建议下选择了数学专业,并坚持了下去。

  但这一路也颇为坎坷,就在读大学的第二年,珍珠港事件爆发了。

  Goodenough 选择了主动申请服役,三年后才回到耶鲁大学完成了学业。

  毕业之后,他再度返回战场,加入了美国空军。

  本打算和朋友一样去报海军陆战队,中途被数学老师叫去说“不要当大兵,我们需要懂数学的人做战争气象预报”,于是没有上前线,而是负责在一个太平洋的海岛上收集数据。

  1946 年,Goodenough 迎来了命运的转折。当时,美国政府出资,选派军人去深造,获得了耶鲁大学教授推荐的 Goodenough 就在其列,他可以选择在芝加哥大学或西北大学学习物理或数学。

  经过重重考虑,他决定前往芝加哥大学攻读物理学博士。

  之前就想过考物理研究生,但被管学生注册的人告知,物理学里所有厉害的东西,人家在你这个年纪都已经搞完了,你现在才想着开始啊?

  最终,他还是考上了芝大物理系,当时是恩里克·费米在管,据说费米一上来就给新生安排了一个 32 小时的超级大考试,每天 8 小时,连考 4 天。

  第一次考挂了,于是又考了第二次才过,总计 64 小时。

  其后师从著名物理学家齐纳——30 岁时发明齐纳二极管。

  在芝加哥这几年,他主要的研究固态物理学,并打下了坚实的理论基础,对于自己人生方向也有了新的思考。

  在他求学期间,齐纳也给他提供了很大的帮助,他曾对 Goodenough 说:“你有两个问题,第一个问题是找到问题,第二个问题是解决问题……”

  这一理念,对 Goodenough 产生了很大的影响。

  30 岁获得物理学博士学位之后,经过在 MIT 的工作以及自身的理解,在牛津大学他选定了自己的方向——电池能源,并一直坚持了下去。

  还能再战,不想退休等死

  直到现在,他还在科研一线继续解决“问题”。

  去年,Goodenough 接受媒体采访时也谈到了自己的问题,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 96 岁,还有时间。

  而且,解决问题并不仅仅只是靠口号。

  Goodenough 仍旧活跃在科研前线,就在最近,他和自己的团队还发现了一种用于钠离子电池的新型安全正极材料。

  并仍旧有作品发表,比如这篇:

  J.B. Goodenough, Personal journey into solid state chemistry, Journal of Solid State Chemistry 271 (2019) 387–392.

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022459618305607

  就在几个月前,他还在采访中说:

我不想退休等死,我想努力奋斗,我相信我们正在做的事情是非常重要的。

  这些重要的事情有很多,比如他尝试用自然界中存量更多的钠代替锂作为电池材料,以降低电池的成本。

  再比如,如何用金属锂做正极,制造出更强大的电池。

  还有电解质方面,Goodenough 也在尝试用玻璃固态电解质做出更安全的电池。

  据说,“足够好”老爷爷现在依旧精力充沛,有人在知乎上回答说,整个走廊都能听到他爽朗的笑声。

  嗯,足够好,还会更好。

 

来自:
量子位(ID:QbitAI)

作者:Johnson
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