姓名：吳慶愷 ?學(xué)號(hào)：16020610024

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【嵌牛導(dǎo)讀】：很多人會(huì)查自己出生那年發(fā)生過(guò)什么欣鳖，好暗地里給自己的誕生一種天命昭彰的證明漫蛔。如果古迪納夫（John B. Goodenough抛蚤，當(dāng)然你也可以叫他足夠好先生，我想他不會(huì)有意見(jiàn)）翻開(kāi)他出生的1922年姓言，會(huì)發(fā)現(xiàn)此時(shí)科學(xué)正在以一種肉眼可見(jiàn)的速度增長(zhǎng)：波爾因?yàn)殛U明原子結(jié)構(gòu)得到了諾貝獎(jiǎng)瞬项，BBC開(kāi)始了跨洋無(wú)線(xiàn)電廣播蔗蹋，人造胰島素被成功提取。物理囱淋、化學(xué)猪杭、生物眾多學(xué)科正在取得突破，同時(shí)绎橘，一大批嶄新的學(xué)科正在被建立——科學(xué)界一片生機(jī)勃勃胁孙。

【嵌牛鼻子】：數(shù)學(xué)學(xué)士學(xué)位，享譽(yù)業(yè)界称鳞，金屬鋰涮较，極易燃燒，鈷酸鋰

【嵌牛提問(wèn)】：當(dāng)代人中難出大師冈止，這是為什么呢

【嵌牛正文】：不如就從他年輕時(shí)的經(jīng)歷說(shuō)起吧

很多人會(huì)查自己出生那年發(fā)生過(guò)什么狂票，好暗地里給自己的誕生一種天命昭彰的證明。如果古迪納夫（John B. Goodenough熙暴，當(dāng)然你也可以叫他足夠好先生闺属，我想他不會(huì)有意見(jiàn)）翻開(kāi)他出生的1922年，會(huì)發(fā)現(xiàn)此時(shí)科學(xué)正在以一種肉眼可見(jiàn)的速度增長(zhǎng)：波爾因?yàn)殛U明原子結(jié)構(gòu)得到了諾貝獎(jiǎng)周霉，BBC開(kāi)始了跨洋無(wú)線(xiàn)電廣播掂器，人造胰島素被成功提取。物理俱箱、化學(xué)国瓮、生物眾多學(xué)科正在取得突破，同時(shí)狞谱，一大批嶄新的學(xué)科正在被建立——科學(xué)界一片生機(jī)勃勃乃摹。

然而，這一切似乎跟古迪納夫關(guān)系不大跟衅。他的父親是大學(xué)歷史老師孵睬，他還有一個(gè)年長(zhǎng)三歲的哥哥。雖然家境富足伶跷，但他的童年似乎并不開(kāi)心掰读，按他的說(shuō)法，自己童年唯一的玩伴叫Mack撩穿，是一條狗[1]磷支。天才的童年似乎總會(huì)有一個(gè)哥哥和一條狗（比如卷福）。

“高考”前夕食寡，古迪納夫的父母離婚了，他爸娶了自己的研究助手廓潜。但古迪納夫還是咬牙考進(jìn)了入耶魯抵皱。事后回憶善榛，他覺(jué)得進(jìn)入大學(xué)這種對(duì)家庭的逃離讓他松了口氣。

在耶魯?shù)娜兆由牖^(guò)得不錯(cuò)移盆。先是學(xué)習(xí)古典文學(xué)，之后轉(zhuǎn)到了哲學(xué)伤为。大一的時(shí)候?yàn)榱藴悓W(xué)分咒循，古迪納夫選修了兩門(mén)化學(xué)課。后來(lái)绞愚，古迪納夫碰到一個(gè)數(shù)學(xué)教授叙甸，看他天賦異稟，就鼓勵(lì)他學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)位衩。他聽(tīng)從了建議裆蒸，畢業(yè)的時(shí)候取得了數(shù)學(xué)學(xué)士學(xué)位码泛。

短短幾年間粹懒，就換了四五個(gè)專(zhuān)業(yè)方向鞠鲜，這似乎也對(duì)他隨后的生涯做出了某種預(yù)示颖变。

1930年代的耶魯校園岳枷，圖片來(lái)源：YaleNews

畢業(yè)后腮猖，二戰(zhàn)爆發(fā)瘫辩，古迪納夫加入了美國(guó)空軍肝匆，不過(guò)他沒(méi)當(dāng)成飛行員感昼，而是被派到太平洋的一個(gè)海島上收集氣象數(shù)據(jù)装哆。

退役后的他選擇去芝加哥大學(xué)進(jìn)修物理。當(dāng)時(shí)錄取他的面試官有點(diǎn)瞧不上這個(gè)吹了四年海風(fēng)的大齡青年抑诸，嘲笑道：“在你這個(gè)年紀(jì)烂琴，科學(xué)家早已經(jīng)做出他們最大的成就了”。這話(huà)說(shuō)的沒(méi)錯(cuò)蜕乡，那個(gè)年代風(fēng)靡全球的智慧領(lǐng)袖們奸绷，哪個(gè)不是英姿勃發(fā)，愛(ài)因斯坦26歲提出相對(duì)論层玲，愛(ài)迪生32歲點(diǎn)亮了白熾燈号醉，居里夫人36歲時(shí)已經(jīng)拿到了諾貝獎(jiǎng)。

古迪納夫辛块，開(kāi)始讀博畔派， 30歲。

還算幸運(yùn)润绵，他的導(dǎo)師是個(gè)大牛人线椰，物理學(xué)家齊納。順便一提尘盼，齊納在30歲時(shí)已經(jīng)發(fā)明了齊納二極管憨愉，享譽(yù)業(yè)界烦绳。

古迪納夫的博士導(dǎo)師，物理學(xué)家齊納配紫，圖片來(lái)源：維基百科

在芝加哥這幾年径密，古迪納夫的研究領(lǐng)域是固體物理，并在這里打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)躺孝。芝大畢業(yè)后享扔，他被推薦去了麻省理工的的林肯實(shí)驗(yàn)室，主攻固體磁性的相關(guān)研究植袍。在這里惧眠，古迪納夫的天賦與功底得到充分發(fā)揮，他對(duì)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的發(fā)展做了貢獻(xiàn)奋单，這個(gè)技術(shù)就是后來(lái)的電腦內(nèi)存锉试。他甚至還和別人合作，冠名了一個(gè)固體磁性的規(guī)則——Goodenough-Kanamori規(guī)則览濒。還是在這里呆盖，他第一次接觸到了電池，不過(guò)當(dāng)時(shí)他研究的是鈉硫電池贷笛。

1976年应又，牛津大學(xué)化學(xué)系恰好出現(xiàn)了一個(gè)空缺。憑借在林肯實(shí)驗(yàn)室的出色工作乏苦，古迪納夫得到了這個(gè)職位株扛，成了無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任。

這年汇荐，他54歲洞就。

初到英國(guó)， 古迪納夫努力適應(yīng)著陰郁的天氣和寡淡的飯菜掀淘，從未想過(guò)這里將會(huì)是他人生的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)：在這里旬蟋，他的研究領(lǐng)域轉(zhuǎn)到了電池。

牛津時(shí)期的古迪納夫革娄，圖片來(lái)源：美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)

接下來(lái)我們來(lái)談?wù)勲姵?/p>

我們不妨先來(lái)看看當(dāng)時(shí)電池是什么樣的倾贰。

1970年代后期，有一種電池因?yàn)槭褂媒饘黉囎鳛殡姌O拦惋，而被稱(chēng)為鋰電池匆浙。同樣質(zhì)量下，鋰電池能比其他電池儲(chǔ)存更多的電能厕妖，因此很受市場(chǎng)青睞首尼，比如當(dāng)時(shí)“大哥大”手機(jī)使用的就是這種鋰電池。

持有鋰電池技術(shù)的是一家加拿大公司，名叫Moli Energy饰恕。正當(dāng)他們準(zhǔn)備大干一場(chǎng)的時(shí)候挠羔，卻傳來(lái)了噩耗——鋰電池存在嚴(yán)重的安全隱患井仰！問(wèn)世還不到半年埋嵌，這種鋰電池就因?yàn)槠鸹鸨ǖ膯?wèn)題，而被全球召回俱恶。從此雹嗦，Moli公司一蹶不振。這個(gè)短暫霸占全球電池市場(chǎng)的公司曇花一現(xiàn)合是，最后被日本NEC公司收購(gòu)[2]了罪。

Moli公司生產(chǎn)的鋰電池，圖片來(lái)源：參考資料[3]

此時(shí)聪全，全球的電子產(chǎn)品市場(chǎng)初見(jiàn)端倪泊藕，大眾剛剛接觸到電子表、手機(jī)难礼、電腦等新鮮玩意娃圆，這個(gè)朝陽(yáng)市場(chǎng)無(wú)比誘人。作為電子產(chǎn)品的保障蛾茉，電池技術(shù)又是必不可少的一環(huán)讼呢。因此，剛剛收購(gòu)Moli的日本人迫不及待想解決鋰電池的安全問(wèn)題谦炬，并計(jì)劃將這一產(chǎn)品發(fā)揚(yáng)光大悦屏。收購(gòu)了Moli的NEC投入了巨大的人力物力，仔細(xì)檢測(cè)了幾萬(wàn)塊電池键思，經(jīng)過(guò)幾年的摸索础爬，他們終于明白了鋰電池爆炸的個(gè)中原因。

鋰電池使用的電極材料金屬鋰吼鳞，是世間最活潑的元素之一看蚜，極易燃燒，甚至與氮?dú)舛寄馨l(fā)生反應(yīng)赖条。這樣的特性極大拔高了鋰電池的技術(shù)要求：生產(chǎn)組裝過(guò)程中稍有不慎失乾，泄進(jìn)了空氣，輕則電池報(bào)廢纬乍，重則起火燃燒碱茁。而在肉眼看不到的地方，還有一個(gè)更大的隱患仿贬。因?yàn)閯?dòng)力學(xué)等因素纽竣，鋰金屬表面會(huì)形成一些“小毛刺”，叫做枝晶。隨著在電池的使用蜓氨，這些枝晶會(huì)越長(zhǎng)越大聋袋，最終會(huì)刺破電池正負(fù)極之間的隔膜，造成短路穴吹，引起電池自燃幽勒。

雖然找到了問(wèn)題所在，但是如何解決卻讓NEC陷入了困境港令。成分啥容、組裝、生產(chǎn)環(huán)境等等都可以改進(jìn)顷霹，但枝晶如同幽靈一般咪惠，縈繞在鋰電池中，無(wú)法擺脫淋淀。

鋰枝晶的微觀照片遥昧，圖片來(lái)源：參考資料[4]

此時(shí)，遠(yuǎn)在牛津的古迪納夫正進(jìn)行著自己的研究朵纷。雖然只學(xué)過(guò)兩門(mén)化學(xué)課炭臭，但憑著過(guò)硬的固體物理功底，古迪納夫居然在化學(xué)系也算站穩(wěn)了腳跟柴罐，正在一門(mén)心思研究著一種神奇的材料——鈷酸鋰徽缚。

鈷酸鋰晶體結(jié)構(gòu)，其中白色的圓球表示鋰原子革屠，紅色表示氧原子凿试，藍(lán)色表示鈷原子。圖片來(lái)源：參考資料[5]

鈷酸鋰似芝，化學(xué)式LiCoO2那婉，在晶體學(xué)上屬于一種層狀材料。所謂的層狀是指鈷和氧原子的結(jié)合更緊密党瓮，形成的正八面體的平板详炬，鋰原子層就鑲嵌在兩個(gè)“平板”之間。正因?yàn)檫@種特殊的結(jié)構(gòu)寞奸，使得鋰原子可以在鈷酸鋰晶體中快速移動(dòng)[6]呛谜。

如果把鈷酸鋰想象成一個(gè)漢堡包，鈷-氧構(gòu)成了兩片面包枪萄，那么隐岛，鋰原子就是中間的牛排，能被很輕松地抽出瓷翻。正因如此聚凹，這種鈷酸鋰可以取代金屬鋰割坠，作為電池中鋰離子的提供者。而且妒牙，這種氧化物可以拔高電池的使用電壓彼哼，從而提升電池儲(chǔ)存的電量。更為重要的是湘今，鈷酸鋰的對(duì)空氣等不敏感敢朱，在金屬鋰這個(gè)發(fā)瘋的公牛面前，鈷酸鋰乖巧的如同得到了棒棒糖的小孩象浑。而枝晶問(wèn)題在鈷酸鋰中也得到了改善蔫饰。在一定的使用時(shí)長(zhǎng)下，鈷酸鋰是一種安全系數(shù)很高的電極材料愉豺。

然而，或許是這一創(chuàng)新太過(guò)前衛(wèi)茫因，也可能是Moli Energy的教訓(xùn)太過(guò)慘烈蚪拦，當(dāng)時(shí)整個(gè)西方世界竟然沒(méi)有一家企業(yè)敢接這個(gè)發(fā)明。甚至牛津大學(xué)自己都不愿意為鈷酸鋰發(fā)現(xiàn)申請(qǐng)專(zhuān)利冻押。古迪納夫只好找到另一個(gè)實(shí)驗(yàn)室?guī)兔Τ鄞銖?qiáng)拿下了專(zhuān)利。

牛津大學(xué)在古迪納夫當(dāng)年實(shí)驗(yàn)室門(mén)外豎起了牌匾洛巢，紀(jì)念鈷酸鋰的發(fā)現(xiàn)括袒。圖片來(lái)源：維基百科

但是日本不一樣。

上世紀(jì)80年代稿茉，日本正處在經(jīng)濟(jì)騰飛期锹锰，大刀闊斧的日本商人甚至一度收購(gòu)了好萊塢。日本產(chǎn)的電子產(chǎn)品也迅速占領(lǐng)著國(guó)際市場(chǎng)漓库，西方不敢接的燙手山芋恃慧，日本人倒是想試試，要不然NEC也不會(huì)花大力氣收購(gòu)Moli渺蒿。

不過(guò)這次站出來(lái)的幸運(yùn)兒并不是NEC痢士，而是當(dāng)時(shí)憑借Walkman（隨身聽(tīng)）和紅白機(jī)風(fēng)頭正勁的索尼（Sony）。

1980年代末期的索尼手頭已經(jīng)發(fā)明了用作鋰電池負(fù)極的石墨茂装。這種石墨價(jià)格低廉怠蹂，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，是十分理想的電極材料少态，只是苦于沒(méi)有合適的正極與之匹配城侧。古迪納夫的鈷酸鋰簡(jiǎn)直如同一道光，照亮了索尼的前程况增。很快赞庶，索尼將鈷酸鋰和石墨結(jié)合，開(kāi)發(fā)出了全新的可充電鋰電池。整個(gè)電池中沒(méi)有純鋰歧强，因此安全性得到了很大提升澜薄。

由于電池中僅存在鋰的離子狀態(tài)，這類(lèi)電池被稱(chēng)為鋰離子電池（Lithium ion battery）摊册。高性能肤京，低成本，安全性好茅特，這種鋰離子電池一經(jīng)問(wèn)世立刻受到了歡迎忘分，幫助索尼一躍成為行業(yè)老大。我們今天所使用的絕大部分鋰離子電池仍然延續(xù)這一架構(gòu)白修，25年來(lái)再?zèng)]有大的改動(dòng)妒峦，這種鈷酸鋰-石墨體系的性能之優(yōu)異可見(jiàn)一斑。

鈷酸鋰使得古迪納夫一躍成為炙手可熱的化學(xué)家兵睛。

1986年肯骇，他回到了祖國(guó)，進(jìn)入德克薩斯州大學(xué)奧斯丁分校祖很，繼續(xù)他的研究笛丙。當(dāng)大家都以為這個(gè)教授準(zhǔn)備在德州安心養(yǎng)老時(shí)，誰(shuí)都沒(méi)發(fā)現(xiàn)他已經(jīng)將目光轉(zhuǎn)向了另一個(gè)材料假颇。

不胚鸯，不止這些，遠(yuǎn)不止這些

鈷酸鋰雖然儲(chǔ)能性能好笨鸡，安全性也不錯(cuò)姜钳，但是仍不是一個(gè)十全十美的材料。

一個(gè)原因是在長(zhǎng)時(shí)間使用后镜豹，鈷酸鋰的層狀結(jié)構(gòu)容易崩塌傲须，就好比漢堡中間的牛排被抽出，兩層面包自然要塌到一起趟脂。崩塌的層之間無(wú)法再進(jìn)行鋰離子的存儲(chǔ)泰讽，造成電池整體的性能衰減。

另一個(gè)原因是鈷酸鋰實(shí)在太貴昔期。鈷元素本身就是一種戰(zhàn)略資源已卸，產(chǎn)地只有非洲和美洲一些小國(guó)，隨著鋰離子電池日益興盛硼一，對(duì)鈷的需求更是與日俱增累澡，從而極大提高了鈷酸鋰的成本。

穩(wěn)定性和高成本始終攔在鈷酸鋰的前方般贼。直到1997年愧哟，古迪納夫又一次讓世界震動(dòng)了奥吩。這一年，他拿出的材料叫做磷酸鐵鋰蕊梧。

這年他75歲霞赫。

磷酸鐵鋰（LiFePO4），或者簡(jiǎn)稱(chēng)為L(zhǎng)FP肥矢，在它的晶體結(jié)構(gòu)中端衰，鐵與氧組成 FeO6八面體，磷與氧組成 PO4四面體甘改，這些八面體與六面體按照一定規(guī)則構(gòu)成骨架旅东，形成Z 字型的鏈狀結(jié)構(gòu)，而鋰原子則占據(jù)空間骨架中所構(gòu)成的空位中[7]十艾。

相較于鈷酸鋰的層狀結(jié)構(gòu)抵代，LFP的空間骨架結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，鋰離子在骨架的通道中也能快速移動(dòng)疟羹。同時(shí)主守，LFP的成分是極其廉價(jià)的鐵與磷，價(jià)格遠(yuǎn)低于鈷榄融。

雖然LFP也存在著不足之處，比如它的儲(chǔ)能效果比鈷酸鋰要差一點(diǎn)救湖，但它的穩(wěn)定性和低成本迅速吸引了產(chǎn)業(yè)界的注意愧杯。

美國(guó)的A123 公司靠著生產(chǎn)LFP，一度成為全球鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的霸主鞋既。不過(guò)因?yàn)長(zhǎng)FP的專(zhuān)利出現(xiàn)了問(wèn)題力九，牽扯進(jìn)了當(dāng)時(shí)世界多家電池巨頭，一度鬧得人心惶惶邑闺，也造成LFP的推廣之路磕磕絆絆跌前。即便如此，LFP這類(lèi)材料在未來(lái)儲(chǔ)能領(lǐng)域陡舅，尤其是對(duì)低成本抵乓、穩(wěn)定性要求高的應(yīng)用中前景廣闊。

磷酸鐵鋰晶體結(jié)構(gòu)靶衍，其中白色的圓球表示鋰原子灾炭，紅色表示氧原子，紫色表示磷原子颅眶，黃色表示鐵原子蜈出。圖片來(lái)源：參考資料[5]

先有鈷酸鋰，后又有磷酸鐵鋰涛酗，古迪納夫 “鋰離子電池之父” 的稱(chēng)號(hào)當(dāng)之無(wú)愧铡原。此時(shí)的鋰離子電池偷厦，早已成為各大電子消費(fèi)品的主要組成，甚至連電動(dòng)車(chē)也被囊括進(jìn)了它的版圖燕刻。

但別忘了只泼，還有一個(gè)幽靈在盤(pán)旋，那就是枝晶問(wèn)題酌儒。

鈷酸鋰和LFP雖然在一定程度上抑制了枝晶問(wèn)題辜妓，但在電池的使用過(guò)程中，仍然會(huì)有部分鋰原子沉積在電極表面忌怎，形成枝晶籍滴。所以，枝晶問(wèn)題從未得到根本解決榴啸，安全隱患仍在孽惰。

可以說(shuō)，鋰枝晶問(wèn)題貫穿了整個(gè)鋰電產(chǎn)業(yè)的歷史鸥印，至今仍盤(pán)旋在電池領(lǐng)域的心頭勋功，縈繞不去。而且库说，鋰離子電池中所使用的電解液是一種有機(jī)物的混合液體狂鞋，易燃易爆，這也是飛機(jī)等禁運(yùn)鋰離子電池的重要原因潜的。

缺點(diǎn)如此明顯的鋰離子電池骚揍，實(shí)在不足以將人類(lèi)引領(lǐng)到未來(lái)。所以啰挪，古迪納夫又毅然投入到全新的電池研究中信不。他腦海中下一個(gè)可能改變世界的創(chuàng)新，就是全固態(tài)電池亡呵。

當(dāng)做出這個(gè)決定時(shí)抽活，他90歲。

全固態(tài)電池將原先的液態(tài)有機(jī)電解池?fù)Q成一種全新的固態(tài)電解質(zhì)锰什。固態(tài)電解質(zhì)不僅能夠保證原有的儲(chǔ)電性能下硕，還能防止枝晶問(wèn)題的產(chǎn)生，而且更安全歇由，更廉價(jià)卵牍。

這個(gè)設(shè)想一直在古迪納夫的腦海中盤(pán)旋，直到三年前沦泌，他偶然發(fā)現(xiàn)了一份來(lái)自葡萄牙的研究成果糊昙。這項(xiàng)研究宣稱(chēng)制備了一種玻璃，具有良好的鋰離子傳導(dǎo)能力谢谦，并且穩(wěn)定性極好释牺。這正是古迪納夫想要的萝衩，于是他立即說(shuō)服這位名叫布拉加的物理學(xué)家搬到奧斯汀，并立即將這種玻璃引入到全固態(tài)電池的研發(fā)中没咙。

古迪納夫認(rèn)為這種玻璃是上帝賜予他的一個(gè)禮物：“就在我尋找著什么的時(shí)候猩谊，它走了進(jìn)來(lái)〖栏眨”

很快牌捷，古迪納夫的全固態(tài)電池初見(jiàn)端倪，相關(guān)的研究成果已經(jīng)被多個(gè)權(quán)威刊物報(bào)道[8,9]涡驮。雖然處于起步階段暗甥，但古迪納夫?qū)@個(gè)方向充滿(mǎn)了信心。畢竟捉捅，他已經(jīng)95歲了撤防，再也不會(huì)擔(dān)心失業(yè)問(wèn)題，研究就是他最大的快樂(lè)棒口。

足夠好了嗎寄月？他不這么認(rèn)為

他很喜歡自己說(shuō)的“爬行烏龜”的比喻，在接受媒體采訪(fǎng)時(shí)无牵，他還補(bǔ)充道[10]：“這種貫穿一生的爬行有可能帶來(lái)好處漾肮，尤其是在你穿越不同領(lǐng)域，一路收集各種線(xiàn)索的情況下茎毁。你得有相當(dāng)多的經(jīng)驗(yàn)初橘，才能把不同的想法融匯在一起〕涞海”

30歲，入行耕蝉。

58歲崔梗，鈷酸鋰。

75歲垒在，磷酸鐵鋰蒜魄。

94歲，全固態(tài)電池场躯。

今年他95歲谈为，幾乎得到了一個(gè)科學(xué)家能得到的所有榮譽(yù)。但是踢关，古迪納夫（Goodenough）從來(lái)沒(méi)覺(jué)得自己已經(jīng)足夠好了（good enough）伞鲫，他只是不斷收集線(xiàn)索，繼續(xù)向前签舞。