你也許會(huì)奇怪明明我們今天談的是鋰-空氣（Li-Air）電池技術(shù)為什么封面圖卻是一位老爺爺。那如果我告訴你標(biāo)題中的“足夠好”并不是一個(gè)形容詞，而是一個(gè)人名，你會(huì)感到驚訝嗎？因?yàn)榻裉煲榻B的就是John Goodenough教授和他引領(lǐng)的鋰-空氣電池研究。John Goodenough教授的中文官方譯名是約翰-古迪納夫教授，但我更喜歡按照直譯叫他“足夠好”教授。因?yàn)檫@個(gè)名字真的略顯霸氣。
可能大家對(duì)這位“足夠好”教授并不十分了解。但是當(dāng)你知道他其實(shí)是可充電鋰離子電池的發(fā)明者，并且領(lǐng)導(dǎo)了項(xiàng)目組發(fā)明了可以量產(chǎn)的鋰離子電池和磷酸鐵鋰電池技術(shù)，你會(huì)有興趣隨著我了解一下他的研究歷史背景和目前鋰-空氣電池的研究進(jìn)展嗎？
那我們先從“足夠好”教授的傳奇人生開始講起。老先生攻讀的大學(xué)是美國(guó)名校耶魯，不過修的卻是文學(xué)和數(shù)學(xué)學(xué)位。在攻讀文學(xué)學(xué)位的過程中喜歡上了哲學(xué)，并且為科學(xué)哲學(xué)所吸引下定決心一定要去讀物理方向的研究生。話說老爺子涉獵的方面可真廣啊。1946年老先生終于如愿進(jìn)入芝加哥大學(xué)攻讀固態(tài)物理。當(dāng)時(shí)他師從Clarence Zener，并最終得到了固態(tài)物理的博士學(xué)位。看到這位老師的名字是不是覺得有點(diǎn)眼熟。是的，Clarence Zener在貝爾實(shí)驗(yàn)室工作期間發(fā)明了Zener Diode齊納二極管。齊納就是這位老師的名字，并以他的名字命名該二極管技術(shù)?？梢哉f齊納二極管是現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)的核心基礎(chǔ)之一。有這么牛的老師，學(xué)生的理論基礎(chǔ)那必然是相當(dāng)?shù)脑鷮?shí)了。
“足夠好”老先生的個(gè)人成就也證明了這一點(diǎn)。1952年“足夠好”老先生進(jìn)入了MIT的林肯實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行關(guān)于內(nèi)存的材料物理研究，發(fā)現(xiàn)了材料中磁體超級(jí)交換的規(guī)律被稱為Goodenough-Kanamori規(guī)律。并在此時(shí)接觸并深入研究了Li離子在固體中的遷移規(guī)律。
發(fā)明可充電鋰離子電池：70年代離開MIT林肯實(shí)驗(yàn)室之后老先生收到了牛津大學(xué)的邀請(qǐng)進(jìn)入了無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室開始了他的固體化學(xué)的研究之路。他引領(lǐng)的項(xiàng)目組和SONY公司合作開發(fā)出了基于碳材料正極和鋰鈷氧LiCoO2材料負(fù)極的可充電離子電池。也就是目前廣泛采用的鋰離子電池技術(shù)。
開發(fā)磷酸鐵鋰電池技術(shù)：基于鋰鈷氧LiCoO2材料的鋰離子電池由于鈷元素稀缺的原因成本很高。老先生一直想找尋一種成本更低性能更高的鋰電池技術(shù)。1986年“足夠好”先生受聘于德克薩斯大學(xué)奧丁學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院擔(dān)任教授。并在此期間引領(lǐng)項(xiàng)目組開發(fā)了低成本的磷酸鐵鋰LixFePO4負(fù)極材料。其安全性被實(shí)驗(yàn)證明完全可以滿足混動(dòng)動(dòng)力汽車的高功率動(dòng)力電池應(yīng)用。而材料的專利最終被Hydro-Quebec公司買下并真正應(yīng)用到混動(dòng)動(dòng)力汽車應(yīng)用中。該負(fù)極材料最終被市場(chǎng)證明具有很好的充放電性能、廉價(jià)、安全并且對(duì)環(huán)境無(wú)污染。國(guó)際知名的電池供應(yīng)商中目前被萬(wàn)向收購(gòu)的A123公司使用的鋰電池技術(shù)就是該磷酸鐵鋰LixFePO4負(fù)極材料專利。A123 M1A和M1B磷酸鐵鋰電池系列以其優(yōu)異的電池循環(huán)壽命、安全性、低自放電（幾乎無(wú)限的庫(kù)存存放壽命）等特性，使得以這些優(yōu)勢(shì)著稱的鎳氫NiMH電池都黯然失色。下圖為A123的M1B系列26650電池。具體型號(hào)為ANR26650M1-B。26650的含義：26為圓柱體電池直徑，650為電池長(zhǎng)度。因此26650電池與特斯拉汽車使用的18650電池長(zhǎng)度相同，直徑更大。
“足夠好”教授在2013年接受了美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬頒發(fā)的美國(guó)國(guó)家科學(xué)獎(jiǎng)?wù)拢ㄓ址Q總統(tǒng)科學(xué)獎(jiǎng)?wù)拢?，表彰他為科學(xué)作出的杰出貢獻(xiàn)。如下就是頒發(fā)獎(jiǎng)?wù)聲r(shí)奧巴馬和“足夠好”教授的合影。
“足夠好”教授目前是德克薩斯大學(xué)奧丁學(xué)院的終生教授，但他并沒有在67歲退休。1922年出生的他，今年已經(jīng)93歲高齡。他仍然堅(jiān)持工作，繼續(xù)電池材料的研究，并且將他的知識(shí)和精神不斷的傳授給他的學(xué)生。
那么“足夠好”教授目前又在鋰-空氣電池領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了什么樣的突破呢？首先我們先來(lái)啰嗦幾句什么是鋰-空氣電池。要知道盡管電池技術(shù)在持續(xù)發(fā)展，但目前我們使用的鋰離子電池或者磷酸鐵鋰電池的能量密度最大只有200Wh/kg左右。換句話說特斯拉汽車?yán)m(xù)航里程已經(jīng)算比較大的了，差不多是600公里，但其整車重量已經(jīng)達(dá)到了2噸左右。而鋰-空氣電池使用堿性固態(tài)電解質(zhì)中的空氣作為負(fù)極材料，它和鋰離子產(chǎn)生的產(chǎn)物是氧化鋰Li2O2。目前能夠生產(chǎn)出的鋰-空氣電池的能量密度已經(jīng)達(dá)到了500Wh/kg左右。是目前鋰離子電池或者磷酸鐵鋰電池技術(shù)的2.5倍。并且要知道鋰-空氣電池的理論能量密度的極限是12kWh/kg。也就是說它至少還有20倍的提升空間。而這個(gè)理論能量密度已經(jīng)接近了目前汽油的等效能量密度13kWh/kg。如果考慮上電機(jī)的效率是汽油內(nèi)燃機(jī)的2.5倍這個(gè)因素的話，鋰-空氣電池技術(shù)完全有實(shí)力去全面替代目前的汽油作為新一代理想的汽車動(dòng)力源。目前藍(lán)色巨人IBM就在成功轉(zhuǎn)型咨詢服務(wù)行業(yè)以后，手握大量的基礎(chǔ)技術(shù)專利。IBM開始染指鋰-空氣電池技術(shù)，發(fā)起了名為The Battery 500 project的項(xiàng)目。目標(biāo)是將電動(dòng)汽車的續(xù)航里程提升到500miles，即800公里。如下就是IBM The Battery 500 project原型產(chǎn)品示意圖。
那么鋰-空氣電池實(shí)現(xiàn)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就是讓鋰離子和空氣進(jìn)行充分的接觸。如下就是目前的鋰-空氣電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)和人體肺部的比較圖。圖中可以看到左側(cè)鋰-空氣電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為了提高空氣的接觸面積而設(shè)計(jì)和右側(cè)人體肺部結(jié)構(gòu)非常類似。
而“足夠好”教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組剛剛在美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)期刊Journalof the American Chemical Society（JACS）上發(fā)表了其最新的關(guān)于鋰-空氣電池的研究結(jié)果。目前為了提高鋰-空氣電池的循環(huán)壽命，主要采用的方法是加入基于金屬材料鉑Pt的催化劑碳化鉑PtC。對(duì)，就是結(jié)婚戒指使用的鉑金材料。那成本不用說就貴的嚇人。為了降低催化劑材料的成本，“足夠好”教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組研究出了使用基于成本更低的金屬材料鈀Pd的催化劑Pd3FeC大大提升了鋰-空氣電池的循環(huán)壽命(880小時(shí)，220次循環(huán)，較原來(lái)提升接近4倍)。如下圖片就是催化劑Pd3FeC的結(jié)構(gòu)示意圖和使用傳統(tǒng)催化劑（下）鋰-空氣電池和使用催化劑Pd3FeC（上）鋰-空氣電池循環(huán)壽命比較圖。
今天我們介紹了傳奇人物John Goodenough“足夠好”教授發(fā)明鋰離子電池和磷酸鐵鋰電池技術(shù)的故事，并且介紹了他在最前沿的鋰-空氣電池技術(shù)方面的突破。目前有種聲音，那就是如果這個(gè)星球上有人能夠真的實(shí)現(xiàn)鋰-空氣電池的量產(chǎn)化的話，那“足夠好”教授絕對(duì)就是其中的重要人選。愿這位神奇的老爺爺發(fā)揚(yáng)他的科學(xué)精神，繼續(xù)他的傳奇人生。