GoodEnough的传奇：美丽的心灵—锂电之心

先来看一看最近六七十年科学技术上的跨越：脊髓灰质炎疫苗，太空火箭，阿帕网络（Arpanet，互联网的前身）。与之相对的，是两个在社会与经济影响上脱颖而出的发明，更不用说它们在日常中全然的无处不在。如果没有这两发明，世界上跨越了年龄和种族、宗教、道德基准、医疗状况、政治归属、品味、风格以及民族认同的绝大多数人们的生活将截然不同。

这两超量级发明中的第一个是晶体管，其于1947年在贝尔实验室中被制造出来，这种变换式的电子产品成为了全球经济和当代文明的基础。第二便是今天的主角——锂离子电池。索尼在1991年率先实现锂离子电池的商业化，这一发明也开启了电子设备便携化的进程。

与晶体管不同，尽管很多人认为应该，但锂离子电池的发明尚未获得诺贝尔奖。锂离子电池的发明成功地为晶体管作上嫁衣。没有它，我们将不会有智能手机、平板电脑或笔记本电脑，包括您正在阅读这篇文章的设备。也将没有苹果、三星、特斯拉。

1980年，古迪纳夫（John Bannister Goodenough），一个学霸级的物理学家，在他57岁时建造了锂离子电池的神经系统。他的智慧结晶是钴酸锂阴极（图1），这玩意是每个锂离子电池中最重要的元件。从摩加迪沙到帕果帕果，从南极到格陵兰，以及其间所有的陆地，古迪纳夫的阴极材料几乎内在于每一款流通的便携式电子设备中。当时，其他人也试图改善钴酸锂阴极，但无疑都以失败告终。

图1. 古迪纳夫与他的宝贝氧化物们（Darren Carroll）

2015年，92岁的古迪纳夫依旧每天往返于他那间位于德克萨斯大学奥斯汀分校的小办公室（图2）。如此执着的缘故，他说，是因为他还没有玩完。在历经他钴酸锂一鸣惊人后的三十五年内，电动汽车在价格竞争上仍就无法与内燃机车抗衡。当太阳能和风力发电时，电力必须被立即使用否则即永远消失——这也意味着没有一种经济的固定式电池可以存储电能。而此时，正值风起云涌：油价再次下跌，但像所有周期性商品一样，其价格将必然回升。气候正在变暖，在整体上将会越来越混乱。

图2. 古老爷子在他那间位于德州奥斯汀分校的实验室内（Darren Carroll）

总之，世界需要一枚超级电池。

（下面这句话绝对有夸张的成分！）

要么是超级电池，要么就是“不好意思我们将在世世代代的战争中抢夺最后一点可得的油气储量同时还有远胜人力的全球变暖翘首以待“，古迪纳夫如是说。

好消息是，古迪纳夫还有最后一个想法，他正在与另外一批博士后助理假手于此。“在把赌注压上前我就想解决这个问题，”他说。“我只有92岁，老子还有的是时间。”

与这个想法一起存在的，还有他可能无敌于这个星球上任何科学家的奇葩笑声（补图1）。客官们可以在这里享用：

补图1. 古老爷子在美国电化学会大师采访上的开怀大笑（强烈建议大家去看看，有他的生平介绍）

20世纪60年代的电池革命

电池基本上是一个制造带电原子（也即离子）的装置，其中，离子们从此端移动到彼端。当电荷移动时，它们便会产生电流，该电流可以为连接到电池的任何设备供电。

因此，要制作电池，您需要两个电极，这样离子将可以在其间进行移动。在中间，你需要一种可以让他们透过的物质，称为电解质。一个电极带负电，称为阳极。另一端带正电的是阴极。当电池正在放电时 - 即，当它连接到从其吸取电量的装置时 - 带正电荷的离子从阳极穿梭到阴极，产生电流。如果它是可充电电池，将设备插入插座 - 从而将电力补充到其中——就可以迫使离子往返于阳极，在那里存放，直到下一次的需要（图3）。

图3. 正在充电中的锂离子电池

几乎所有的电池设计都指向制造阳极、阴极和电解质的材料，它们能够确定电池的容量以及放电速率。

二十世纪初，由铅酸电池（铅作电极，硫酸作电解液）驱动的电动汽车似乎优于它的对手们——汽油驱动的内燃机车。铅酸并不是一个新的发明——它是在1859年由Gaston Planté制造的。但是与噪音四射、一身肮脏的内燃机相比，电机相对安静、操作简单，更别提前者还有加重手杆。之后，在包括电启动器等一系列发明的帮助下，内燃型机车重“燃”优势。因此，几十年来，似乎没有人留作他想。

但在1966年，福特汽车——在它的Model T和相应的装配线以远超任何一家公司能力让燃油车重回主流的情况下——竟然想要重振电动汽车。福特汽车公司揭示了一款配有硫阴极和钠阳极的电池。这是一种新式思维 ——一种可以在同一空间内储存比铅酸多15倍能量的轻型电池（简言之，体积能量密度更高）。

这款车型当然有短板。与内燃机大约90°C的运行温度相比，福特汽车的电池需要在约300°C（570°F）运行。然而钠在98°C熔化，遇到空气时即点燃。你肯定不想在你的引擎盖下放着一块炙热的、爆炸性的熔融金属吧。实际上，这种电池仅适用于电站的固定式存储。

但起初，无论是福特还是吃瓜群众都有一些不揣冒昧。借着清洁电动机车的东风，福特汽车因势利导，捆绑了60年代人们的憧憬，也使得他们突然意识到原来烟雾业已吞没了他们的城市。在初始阶段，载用铅酸蓄电池的福特电动汽车可以以每小时40英里的最高速度行驶40英里（64公里）。后来，福特宣称，随着新型钠硫电池（图4）的投入使用，汽车可以高速公路段速疾驰200英里。接着充电一个小时，然后再开200英里。

图4. 福特的钠硫电池，来自于其1966年的专利方案

这样的消息很快引起了全民的一颗赛艇，人们似乎又看到了19世纪那种近乎疯狂的商业创新。在世界各地，研究人员争相效仿，以福特为标杆。那时，还是麻省理工的科学家古迪纳夫说，一切都突然改变了。电池不再是枯燥的摆设。古迪纳夫说道，这股狂潮持续到了下一个十年，其间暗流涌动，伴随着1973年的阿拉伯石油禁运，最终演变成了一个时代的普遍认知——世界正在耗尽石油，也正是这股风暴激起了大西洋两岸的科学进步。

无论如何，电力都似乎不可阻挡。现在古迪纳夫潜入了这股涡流。在二十年的时间里，他抑或是自己生产，又或者是成为现代电池中几乎每一项重大进步发明的一部分。

古迪纳夫的艰辛成长

约翰·古迪纳夫在康涅狄格州纽黑文附近一个庞大的家庭中长大，他的父亲埃尔温是耶鲁大学宗教史的一名学者。他形容父母的关系是“一场灾难”，这种家庭矛盾遂延伸出冷暴力——对孩子而言。古迪纳夫和他的母亲，海伦，之间尤甚，几乎是“未觉亲缘”——她就没想要过约翰，而在丈夫的执意下他又成了海伦的第二个孩子，因此间隔于孩子和母亲之间的是一段地球到太阳的距离。

当约翰十二岁时，他就被送到马萨诸塞州私立寄宿学校格罗顿的奖学金（项目）之中，也就再难听到父母的音讯了。约翰的母亲也仅在他弱冠之年予信一封。古迪纳夫在一本略薄的自行出版的自传中提到了人生的几许影响：兄弟姐妹，一只名叫麦克的狗，一位家庭佣人，很久以前的邻居。但他明显地忽略了他的父母，也从不提及他们的名字。他们在他的生命中仅是血缘的存在而已。

古迪纳夫的童年并没有折射出温暖与乐趣，更难以衔接上一个自信的成年阶段了。曾有一段时日，古迪纳夫患上了阅读障碍，但他并没有被很好地接纳与治疗，这使得他无法在格罗顿读书、听课抑或是在教堂里成长（是的，古迪纳夫是一名坚定的基督徒，详见著书《witness to grace》）。代替了课本生活的是，丛林里的探险与动植物的观察。尽管如此，乌云背后依旧有着一丝银线，直到一切终现眉目。他拿到了耶鲁大学的一个援助计划并在那里站稳了脚跟，随后以最优成绩毕业于数学系。

在第二次世界大战之后，古迪纳夫，24岁的他时为一名服役于葡萄牙沿岸亚速尔群岛的上尉。当时他收到一封调任电报，目的地是华盛顿特区。彼时，教育工作者在大量盈余的预算费用前踌躇不前，最终他们提议将之用于帮助21名返程军官进入物理与数学的研究生课程学习。在本科阶段几乎没有一点科研训练的古迪纳夫几近懵逼，但在逐渐被时间腐蚀的记忆深处，一锤定音的应该是那位在名单上填上自己名字的耶鲁大学数学系教授。

于是，他来到了芝加哥大学，师从于那个时代最为顶尖的物理学家们，其中就包括了爱德华·塔勒和恩里科·费米。当古迪纳夫不得不注册初级本科课程以求赶上他人时，一位教授评论道：“我实在是不明白你们这帮退伍军人。你们难道不懂得任何一位传世神作加身的物理巨擘早已在你们这个年龄上完成了惊鸿一瞥？

但古迪纳夫用他那对物理学的惊艳直觉来了一记实锤打脸。1952年获得博士学位后，他前往麻省理工学院的林肯实验室工作，而在前一年，美国空军就在这资助并制造了美国的第一个防空系统，后世称之为SAGE。当时古迪纳夫加入了一支正在攻坚计算机内存系统的团队。

那时，用古迪纳夫的话说，构成计算机的真空管足以填满一个大型舞厅的空间，而储存也是出奇地慢。在古迪纳夫加入麻省理工学院后不久，这个团队就推出了磁核记忆体——一种更快捷、更可靠、更紧致的存储模块。除了帮助SAGE上线之外，磁核记忆体还成为了计算机存储系统的基石，直到半导体在20世纪70年代才将之废黜。对于古迪纳夫个人来说，之后是更多的进展，这其中就包括了“古迪纳夫—金森法则”，它从原子尺度上描述了多种材料中的磁性原理——未来计算机的另一块垫脚石。

到20世纪70年代中期，古迪纳夫就定睛于为欧派克主导的能源危机寻找一种科学的解决方案，当时这个危机是美国所面临的最大挑战。但是，政治介入了：美国参议员迈克·曼斯菲尔德（Mike Mansfield）推行了一项法案，要求空军资助的任何研究——包括麻省理工学院实验室——都必须以空军应用为导向。这个法案治下，能源问题就不在空军的雷达范围内，而是国家实验室的自留地。

此时，一位朋友在大西洋彼岸遥送机遇。牛津大学渴求一位能够讲授无机化学并管理实验室的教授。于是，1976年，古迪纳夫出人意外地被选中：他并不是化学家，也只完成了两门大学化学课程。这已经是他第二次被幸运地选上，尽管他依旧在名义上不够格。

补图2. 牛津时期的古迪纳夫，资料来自The Inventor

古迪纳夫是一位严厉的教授（补图2）。他在牛津大学的学生克莱尔·格雷（Clare Gray，姐们现在是锂离子领域的大牛）回忆起一门以165名学生选修的物理课程。在一堂古式授课之后，她是八位重返课堂的学生之一。在实验室，他眼里也同样容不得沙子。但那是因为在离开麻省理工学院之后，他正在寻求固态化学上的巨大进步，而这是一个以发明各类商业化材料而闻名的领域。

第一个锂电池

就在古迪纳夫去牛津大学时，英国化学家斯坦·怀廷汉姆（Stan Whittingham）宣布在电池方面取得了巨大的突破。与斯坦福大学的同事一起，他发现了一种以层状材料制造电极的方法——可以将锂离子存储在钛硫化物的片层内。锂离子可以从一个电极穿梭到另一个电极，从而形成可充电电池。而且它可以在室温下工作。借助化学术语，怀廷汉姆称这种储存为嵌入式，就像卡在了材料之中。

这条新闻一石激起千层浪。当时石油巨头埃克森正在打造一座创新中心，力求与贝尔实验室（晶体管的发明地）分庭抗礼。所以埃克森引进了怀廷汉姆，这位英国化学家开始依靠斯坦福大学的成果制造电池。不过，他的工作非常保密。最后，于1976年，埃克森提交了一份锂基电池的专利申请。

六十年来，不可充电的锌—碳机理一直是消费电子产品的标准电池化学过程。（它已经淘汰了铅酸，后者对于汽车电池来说是没有毛病的，但是对于小型设备来说，铅酸电池实在是太笨重了）。镍镉电池也是常用品之一。怀廷汉姆的发明是跨越了这两者的一次飞跃。动力十足且轻装上阵，可以为便携式消费电子产品供电（如iPod与Walkman相比）——前提是这种电池能工作的话。

然而，基本的物理学原理挡在了路上。驱动锂电池的这种电化学反应同样也可以使它们发生爆炸。一旦过充，电芯就会被点燃，并在你还没有感知前就喷溅火花（图5）。但是，即便你遵照安全的设定并使用其他的元素（除了锂之外的碱土金属），结果并不会好多少。你会发现这些电池在反复充放电过程中时慢慢地支离破碎。这些棘手的问题——爆炸的实验室和不断分崩的电池——正在毒害着怀廷汉姆的心血。

图5. 枝晶产生穿透隔膜产生为短路进而爆出火花的示意图，资料来自yutube。

古迪纳夫认为他可以打造出一款比怀廷汉姆的更强大的电池，没有那种不可接受的缺陷。在埃克森的电池中，储存锂的阴极材料是硫化钛。但是在麻省理工学院的日子里，古迪纳夫早已与另外一簇化合物——金属氧化物（氧和各种金属元素的组合）亲密接触过了。在他的判断中，氧化物可以允许在比怀廷汉姆的作品更高的电压下进行充电和放电，而根据物理学原理这种电池会产生更多的能量。而且它的挥发性会更小，这就是他将试手的。

当然，还有一个可能的陷阱。越多的可以被储存在电极中以及穿梭其间的锂，电池可以产生的能量就越多——但是如果锂在阴极材料中占据了绝大部分，而它们都走在去往阳极的道路上，那么根据古迪纳夫的推论，阴极将会被挖空，最后自我坍塌。那么在这种滥用条件下，是否有某些金属的氧化物都可以坚挺？如果有，是哪一种，而从阴极脱出多少比例的锂才是最具魔性的？

古迪纳夫从理论方法上指导他的两名博士后助理通过解析结构完成了一套氧化物的搭建工作。他要求他们查明在什么电位下锂离子可以从那些氧化物中脱出——他预计结果会比怀廷汉姆的电池高出2.2伏或者更多——他也极度关心从这种（氧化物）原子结构中能够脱出多少锂。

他们的答案是，在材料失效之前，有大约一半的锂可以在4伏（vs Li/Li+）左右脱出阴极。对于动力型、可充电的电池来说，这足够了。在他们测试的所有氧化物中，这些博士后发现，钴是目前最好也最稳定的。

在古迪纳夫抵达牛津的四年后，也就是1980年，钴酸锂的拼图最终完成，这是一个远比福特的钠硫体系更加重大的突破。它是第一个具有容量的锂离子阴极，当安装在电池中时，它能够为紧凑型和相对较大的器件供电，但就这一点就使其远远优于市场上的任何同类。由它配套的电池可以产出多达任何室温可充电电池两到三倍的能量，而这种电池可以被做的更小并输出相同或更好的性能。

图6. 照片摄于1982年的牛津大学，约翰·古迪纳夫位于第一排左二，两年之前他发明了钴酸锂阴极（Courtesy of John Goodenough）

1991年，索尼将古迪纳夫的阴极和一种碳质阳极相结合，制成了世界上第一款商用可充电锂离子电池。而结果就像是在知乎上过夜后的千赞——一夜成名。除了电池的销售额之外，索尼也借着东风解决了他们一款领先的电子产品的问题——手持式摄像机。之前可用的电池对于手持式视频的拍摄来说太笨重，但是锂离子电池的加成，使得索尼可以开发新式的时髦相机，并且最后它们也成为了畅销品。

竞争对手们很快就开启了山寨模式——从电池到手持相机，接着便将锂离子电池放入笔记本电脑和电池手机中，共同创造了年产几十亿美元的小型电子产业。锌—碳和镍镉根本就无法在质量比能量（能量密度的一种）匹敌于锂离子电池，而前者还是不可充电式的。索尼的突破引发了世界各地实验室的热潮——找到可以在更小的空间中打包更多能量的更为优异的锂离子电池构型。

然而，尽管他在第一款商业化锂离子电池中扮演了核心角色，但古迪纳夫并没有获得版税。牛津拒绝为古迪纳夫的阴极申请专利——这所大学似乎并没有从这项知识产权中看到优势。最后，古迪纳夫将版权转授给了原子能研究所，这是一个位于牛津南部的英国政府实验室。古迪纳夫觉得这样，至少他的发明可以进入市场。他从来没有想像过市场的规模。没有人想到。

但是，古迪纳夫的发明不仅仅引领了现代手机和笔记本电脑的纪元。由于锂离子电池相对于它所带的电量来说较轻，因此它也重启了制造经济型电动汽车的可能性。

一项为骗子们量身定做的技术

在满是发明创造的时代里，也同时滋生着江湖骗子与街头叫贩，因为没有人能真正知道哪一个产品会成为下一个博南扎（富矿带，象征着财富）。而电池的标记则是那么的异乎寻常，充斥着十足的夸大与明显的欺诈：因为在直觉上，人们就明白一颗更好的电池的重要性，所以认为世界应该要有一个，这种直觉使得他们非常容易上当。1883年，在创建他的电子帝国的过程中被误导过多次的托马斯·爱迪生，将可充电电池总结为一则童话。他写道：在我看来，蓄电池就是一个廉价品，是股票公司诈骗公众的机制与噱头。它是那些引人浮想联翩的众多奇异事物之一，对股市骗子来说没有比这东西更加完美了···只要一个人致力于二次电池的研究，这玩意就会激发出他潜在的撒谎能力。

古迪纳夫想起了一位日本材料学家的故事，主人翁的名字叫做冈田重人。冈田于1993年来到德克萨斯大学，而古迪纳夫去年刚从牛津搬来。他来自日本电讯电报（NTT）公司，这是日本的电话巨头，他们想以公司资助的形式请求允许他能进入古迪纳夫的团队之中。经过日常的保密协议商谈过后，古迪纳夫同意了。他将冈田安置在一位名为阿克沙亚·帕迪的印度博士后身旁参与工作。

带领着这样一群研究人员，古迪纳夫身处于材料学家们的奇特世界之中，这是一群结合了物理的直觉、化学的谨慎与工程的实用主义的人。他们的角色便是用现有的实物来构造一个新的秩序。帕迪和冈田开始了修修补补，试图找到一种比以往具备更高能量、更高稳定性的电池。

他们认为具有尖晶石型晶体结构的阴极可能会达成目的。在常规的钴系阴极中，原子们层层堆叠，所以储存于内的锂离子只允许沿着这些片层来回脱嵌。在尖晶石中，原子排列的方式允许离子可以在三维空间中扩散，因此它们可以在多个通道中往返于电极材料，这使得电池可以更快地进行充放电。1982年，还在牛津大学的古迪纳夫手下的一名博士后助理迈克·萨克雷（Mike Thackeray）发明了一种开创性的锰基尖晶石阴极，比古迪纳夫刚刚于前一年发明的钴酸锂更便宜也更安全。也许帕迪和冈田可以做出更好的尖晶石。

他们开始系统地调换金属元素，看看是否有任何的可能性符合导师的目标。他们尝试了钴、锰和钒，但没有一个是对的。最终，他们将名单缩减到最后的选择——铁和磷的组合。古迪纳夫怀疑这两元素可能无法实现尖晶石构型，并将这个想法告诉了帕迪。而后，老人便离开度假去了。

回来之后，迎接古迪纳夫的是振奋的信息。帕迪说教授的想法是对的——他没能实现尖晶石结构。相反，他生成了一种不同的、自然存在的、被称之为橄榄石的晶体结构。他已经成功地实现从橄榄石中脱出锂，并将其回嵌。在检查过后，古迪纳夫认为这个结果绝对会震惊世界。这已经是第三次了——先是钴酸锂，再是锰基尖晶石，而现在又多了磷酸铁锂——古迪纳夫的实验室已经成为了输出具备商业化潜质的锂离子电池主要阴极材料的发源地。

图7. 一张橄榄石结构的充放电图，这种晶体结构被发现于古迪纳夫实验室

古迪纳夫直到很久以后才发现——冈田——这位日本研究人员——跑去向自己的雇主泄露了帕迪的发现，该公司继而自己秘密地开发了配方与化学式。1995年11月，使用了帕迪方法的NTT公司悄无声息地申请了专利，并开始游说日本的电商，将他们的兴趣转向这种新型的磷酸铁锂电池。

古迪纳夫在第二年才闻风而至，然诡计已出。他简直难以置信， “帕迪，天呐，他是一个间谍，”他几乎是喊着他的博士后。“醒醒吧，开始把信息放在你自己的笔记本上。”他的意思是说，帕迪应该把自己的工作与数据写在他的实验室书记录本上，假如有一场知识产权的战斗要打的话，这份记录将会至关重要。

“对不起，”帕迪如是回答古迪纳夫。“他是我的朋友。”

一场关于优先权的竞赛打响了。日本人和美国人在不断地刷新文章，专利申请也层出不穷（图7）。德克萨斯大学代表古迪纳夫的实验室向NTT公司提出了五亿美元的诉讼。

然而，情况在接下来变得更加复杂了。麻省理工学院一位名为蒋业明（Yet-Ming Chiang）的教授开始搬弄古迪纳夫的想法，并提交了自己的专利。蒋业明和他的合作伙伴建立了A123（这是一家位于马赛诸塞州的公司），并声称他的改进已经是创造了另一种新的材料了。他定期的意向就是出售某个类型的磷酸铁锂电池并用于电动工具，最终转向机动车辆。这又为古迪纳夫拉锯了另一条法律战线，因为蒋业明的公司着力劝说一家欧洲仲裁会驳回老头的那些专利，而此事也终在2008年板上钉钉。

结果就是一场混战，其于2008年下半年来到了高潮，此时沃伦·巴菲特（Warren Buffett）花了2.3亿美元购买10％的比亚迪股份，后者是家推出了一种新型磷酸铁锂电动汽车的中国汽车公司。没有人谈及比亚迪电池的源头，但是自从蒋业明的那次举动之后，业界的印象是，古迪纳夫实验室的发明也许遍布各处。

图8. 2010年的金属磷酸锂盐专利情形，涉及的单位有：University of Texas System、Sony、Hydro-Québec、NTT、Valence Technology、Toyota、Sanyo、A123 systems、BYD、Shenzhen BAK battery、Yuasa。

2009年，A123首次公开发行股票。蒋业明的个人魅力、麻省理工学院的名头和泰晤士日报的大嗓门创造了一股耀眼的光环，于是股价在交易的第一天就飙升了50％。蒋业明的公司筹集到了5.87亿美元，是当年最大的新股首发（IPO），那天对他以及所有参与者来说都是一场发薪的狂欢。再一次地，除了古迪纳夫以外。

最终，德克萨斯大学与NTT公司达成了庭外和解，他们需要向这所学校支付3000万美元以及所有从那些日本专利中盈利的抽成。NTT没有违法的事实得到承认。而古迪纳夫也从A123上空手而归。

从之后发生的事情来看，你也许会觉得真有某种迟到的正义。2012年——仅仅在其IPO三年后——A123以破产告终。比亚迪依旧靠着其限定意向赚得盆满钵满。但是，古迪纳夫始终认为这次磷酸铁锂罗生门的结果就是一场滑稽模仿。德克萨斯大学雇用的律师只是一位侃爷，大话不离嘴边的他对那些奸诈的讼棍而言不过嘤嘤雏儿。电池的世界充满了夸张，有人需要站起来直面他们。“他们想要钱，”他说。“而有些人还要更糟。”

最后一个大想法

古迪纳夫的妻子艾琳（Irene）一直患有阿尔茨海默氏症，而去年，他将她放在了一家护理中心进行全天候的护理。他的哥哥，沃德（Ward），在93岁逝世。

当你是一位90多岁的伟大发明家时，有很多荣誉加身。古迪纳夫也一样，几乎每年都会被提名诺贝尔奖，与之并列的是吉野彰，一位将美国人的阴极与一种碳质阳极结合制造出第一款可以正常工作的锂离子电池（索尼的一鸣惊人）的日本化学家。在2013年，古迪纳夫获得了奥巴马总统颁发的美国国家科学勋章，而早在2009年他就获得了恩里克·费米奖。事实上，古迪纳夫有自己的同名奖——自2009年以来，英国皇家化学学会便已经开始颁发一年一度的约翰·班尼斯特·古迪纳夫材料化学奖）。

图9. 英国皇家化学会在牛津设立的蓝色牌匾，以纪念在此为可充电电池作出的伟大贡献，古迪纳夫的名字赫然在列，资料来自John B. Goodenough

但是，古迪纳夫似乎最热衷于以最后一个大发明结束他的职业生涯。当然，他正在尝试制造一种超级电池，一种将使电动汽车真正可以匹敌与内燃机车的电池，一种可以经济地存储风力和太阳能的电池。

但他选择的道路上存在着电池科学中最棘手的问题之一，那就是如何用纯锂或钠金属制成阳极（图10）。如果这项技术完成的话，所得到的电池将比目前的锂离子电池多60％的能量。这就能立即将电动汽车推向一场新的与内燃机车的白刃战。多年来，无数科学家都前仆后继、并倒在沙滩之上——例如，在1970年代，就是锂金属不断地点燃斯坦·怀廷汉姆在埃克森的实验室。

图10. 古迪纳夫和他的新发明，资料来自Battery Legend Goodenough Now Betting On Solid-State Batteries

虽然现在古迪纳夫不会再明确地透露自己的想法，但他觉得他已经走在道上了（现在我们都知道是固态电池与玻璃态电解质了）。而且，鉴于他过往的记录，业内都不会再去鲁莽地质疑（当然，科学还是需要理性怀疑的）。“他还是很机智。他的思维还在转动不停，“南非科学家萨克雷如是说，正是在古迪纳夫的手下他发明了尖晶石锰酸锂，而现在他在美国的阿贡国家实验室任职。“如果一个领域将会迎来突破的话，它将会出自于那种体系内的不同寻常抑或超凡脱俗。而约翰（古迪纳夫）的创造性思维则处在框架之外。”

当然，赌注很高，古迪纳夫摒弃了许多颇有竞争力的方案——就比如特斯拉的伊隆·马斯克，这位他觉得满足于向好莱坞富人们售卖豪车的企业家就始终在等待科学家们打造一款可以驱动一辆中产阶级电动汽车的电池。当然这也不十分准确——马斯克显然正将他那8~10万美元的汽车投入精英市场，而到2018年，他宣布要为更广泛的市场受众提供价约35000美元的车型（就是Model 3）。通过极致的工程技术来为他的电池提供小型增益的改善，马斯克已经看到了曙光。

然而，古迪纳夫对此修修补补以及其每年约增加7~8%的效率同样不屑一顾。“你需要的是一小步跨越”，他说，“而不是一个增量”。

没有人，包括他自己，可以肯定地说，古迪纳夫这次会成功。我们只知道他不曾放弃过。 超级电池所要面临的问题真的很难。古迪纳夫自己说，其他人也应该持续努力实现跨越。他认为，在环境和资源短缺等真正严重的问题出现之前，这个领域还有三十年的时间来获取成功和商业化突破。而这余量，他认为应该够多了。“有很多正致力于此的人们，他们都不蠢，”他说。“我没有说我是唯一可以解决问题的人。”

再一次地，他也许还真是那个人。这就是为什么这么多的人——那些知道他的人——都恨不得生吞活剥地盯着约翰·班尼斯特·古迪纳夫（John Bannister Goodenough）。

延伸阅读

任何事物发展都是有（大量的）时间积累，电池也赫然在列。不妨看看下表：

补图3. 1900~2010历史舞台上各类电池的质量能量密度演变，资料来自Thermodynamic analysis on energy densities of batteries。

在1940年以前，锌锰类（Zn/MnO2）的一次电池牢牢占据着电子消费类产品的市场，直到60年代那会，碱性锌锰电池（Zn/KOH/MnO2）还是消费类的大当家，不过质量能量密度已经可以从40Wh/kg提升到100Wh/kg了，当然，即便是现在，碱性锌锰电池这种一次电池因为自身的低成本，还是能在很多地方得到发挥。然后就是一次的锂/二氧化锰电池（Li/MnO2等等）和锌空气电池（Zn-Air）在70年代的悄然冒头（其实人家也是在实验室内不断成熟完善），直接把质量比能量翻了一倍，提升到了250Wh/kg的水平。再来到80年代，一次的锂/二氧化硫（Li/SO2）和锂亚硫酰氯（Li/SOCl2）电池在特殊领域被开发出来，而电池的质量比能量直达380Wh/kg。而事实上，干性聚合物电解质锂电池在80年代业已萌芽，它们的质量能量密度范围大致在220~280Wh/kg内，只不过这个分支一直处在研发阶段而且被视作二次电池。

回过头来，可充电的铅酸电池已经经历了商业化的100多个年头，而其质量能量密度也只是从最初的25Wh/kg渐渐的爬到先今的55Wh/kg，但是因为它具有较高的可靠性、低成本、适中的功率密度、可接受的循环性能等等优势，铅酸电池现在依旧是许多电动设备启动点火程序以及各种备用电池的主要选择。镍镉电池在镍氢电池和锂离子电池主导的90年代以前，一直是许多小型便携式电子设备的主要能源提供者，当然了，因为自身对环境所造成的冲击也导致其后续的市场份额大幅下滑。在80年代的早期，一种可充电式的钠硫电池被开发出来，在300°C的温度下，它能发挥出100~150Wh/kg的质量能量密度。如今，钠硫电池也是为负载调衡所用的大型固定电池的多种选择之一。镍氢电池带着50~80Wh/kg的能量密度轻轻地出现在1989年的市场上，几乎两年之后，它就见到了从索尼公司商业化的锂离子电池，电池的质量能量密度也稳中有升地从90Wh/kg涨到210Wh/kg。

从1950年到2010年这60年间，对于商业化的二次电池，它们的质量能量密度平均是每年增长3Wh/kg，如下图所示：

补图4. 商业化二次电池的质量比能量密度的演变史（1900~2010），资料来自Thermodynamic analysis on energy densities of batteries

按照这个增长率，从现有的210Wh/kg（2010年）要达到New Energy and Industrial Technology Development Organization（欧洲杯线上买球 及产业技术开发机构，以下简称NEDO）的500Wh/kg和700Wh/kg这两个目视可及的质量能量密度指标，分别需要再过100年和167年，也就是2110年和2177年。更加现实的说，在1990年到2010年这20年间的电储能系统的质量能量密度增长率因为锂离子电池的被发明和改进而被加速至年均5.5Wh/kg的速度，在上图中的实线段中显示。即便是根据这个速度，要达到NEDO的500Wh/kg和700Wh/kg这两个目标也分别要等到2064年和2100年。

在上面两张图内，大家也看到了，电池体系的能量密度以20~30年的区间段为一个稳定增长期，直到下一个新技术出现期为止。

纵观电池发展的历史，电池能量密度的提升往往是突变型的。这也是为什么古迪纳夫他们谈及电池技术的跨步是如此艰辛的原因，请大家给古老爷子多一些宽容，也请大家给真心致力于这份事业的人们多一些耐心，谢谢。

本文出自知乎用户土豆泥的专栏文章：美丽的心灵（一）——锂电之心1

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