鋰空氣電池也許真有戲，因為「足夠好」

你也許會奇怪明明我們今天談的是鋰-空氣（Li-Air）電池技術為什麼封面圖卻是一位老爺爺。那如果我告訴你標題中的"足夠好"並不是一個形容詞，而是一個人名，你會感到驚訝嗎？因為今天要介紹的就是John Goodenough教授和他引領的鋰-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。因為這個名字真的略顯霸氣。

可能大家對這位"足夠好"教授並不十分了解。但是當你知道他其實是可充電鋰離子電池的發明者，並且領導了項目組發明了可以量產的鋰離子電池和磷酸鐵鋰電池技術，你會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。老先生攻讀的大學是美國名校耶魯，不過修的卻是文學和數學學位。在攻讀文學學位的過程中喜歡上了哲學，並且為科學哲學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年老先生終於如願進入芝加哥大學攻讀固態物理。當時他師從Clarence Zener，並最終得到了固態物理的博士學位。看到這位老師的名字是不是覺得有點眼熟。是的，Clarence Zener在貝爾實驗室工作期間發明了Zener Diode齊納二極體。齊納就是這位老師的名字，並以他的名字命名該二極體技術。可以說齊納二極體是現代半導體技術的核心基礎之一。有這麼牛的老師，學生的理論基礎那必然是相當的紮實了。

"足夠好"老先生的個人成就也證明了這一點。1952年"足夠好"老先生進入了MIT的林肯實驗室，進行關於內存的材料物理研究，發現了材料中磁體超級交換的規律被稱為Goodenough-Kanamori規律。並在此時接觸並深入研究了Li離子在固體中的遷移規律。

發明可充電鋰離子電池：70年代離開MIT林肯實驗室之後老先生收到了牛津大學的邀請進入了無機化學實驗室開始了他的固體化學的研究之路。他引領的項目組和SONY公司合作開發出了基於碳材料正極和鋰鈷氧LiCoO2材料負極的可充電離子電池。也就是目前廣泛採用的鋰離子電池技術。

開發磷酸鐵鋰電池技術：基於鋰鈷氧LiCoO2材料的鋰離子電池由於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。1986年"足夠好"先生受聘於德克薩斯大學奧丁學院機電工程學院擔任教授。並在此期間引領項目組開發了低成本的磷酸鐵鋰LixFePO4負極材料。其安全性被實驗證明完全可以滿足混動動力汽車的高功率動力電池應用。而材料的專利最終被Hydro-Quebec公司買下並真正應用到混動動力汽車應用中。該負極材料最終被市場證明具有很好的充放電性能、廉價、安全並且對環境無污染。國際知名的電池供應商中目前被萬向收購的A123公司使用的鋰電池技術就是該磷酸鐵鋰LixFePO4負極材料專利。A123 M1A和M1B磷酸鐵鋰電池系列以其優異的電池循環壽命、安全性、低自放電（幾乎無限的庫存存放壽命）等特性，使得以這些優勢著稱的鎳氫NiMH電池都黯然失色。下圖為A123的M1B系列26650電池。具體型號為ANR26650M1-B。26650的含義：26為圓柱體電池直徑，650為電池長度。因此26650電池與特斯拉汽車使用的18650電池長度相同，直徑更大。

"足夠好"教授在2013年接受了美國總統奧巴馬頒發的美國國家科學獎章（又稱總統科學獎章），表彰他為科學作出的傑出貢獻。如下就是頒發獎章時奧巴馬和"足夠好"教授的合影。

"足夠好"教授目前是德克薩斯大學奧丁學院的終生教授，但他並沒有在67歲退休。1922年出生的他，今年已經93歲高齡。他仍然堅持工作，繼續電池材料的研究，並且將他的知識和精神不斷的傳授給他的學生。

那麼"足夠好"教授目前又在鋰-空氣電池領域實現了什麼樣的突破呢？首先我們先來啰嗦幾句什麼是鋰-空氣電池。要知道儘管電池技術在持續發展，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續航里程已經算比較大的了，差不多是600公里，但其整車重量已經達到了2噸左右。而鋰-空氣電池使用鹼性固態電解質中的空氣作為負極材料，它和鋰離子產生的產物是氧化鋰Li2O2。目前能夠生產出的鋰-空氣電池的能量密度已經達到了500Wh/kg左右。是目前鋰離子電池或者磷酸鐵鋰電池技術的2.5倍。並且要知道鋰-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。而這個理論能量密度已經接近了目前汽油的等效能量密度13kWh/kg。如果考慮上電機的效率是汽油內燃機的2.5倍這個因素的話，鋰-空氣電池技術完全有實力去全面替代目前的汽油作為新一代理想的汽車動力源。目前藍色巨人IBM就在成功轉型諮詢服務行業以後，手握大量的基礎技術專利。IBM開始染指鋰-空氣電池技術，發起了名為The Battery 500 project的項目。目標是將電動汽車的續航里程提升到500miles，即800公里。如下就是IBM The Battery 500 project原型產品示意圖。

那麼鋰-空氣電池實現的一個關鍵點就是讓鋰離子和空氣進行充分的接觸。如下就是目前的鋰-空氣電池內部結構和人體肺部的比較圖。圖中可以看到左側鋰-空氣電池的內部結構為了提高空氣的接觸面積而設計和右側人體肺部結構非常類似。

而"足夠好"教授領導的研究小組剛剛在美國化學學會期刊Journal of the American Chemical Society（JACS）上發表了其最新的關於鋰-空氣電池的研究結果。目前為了提高鋰-空氣電池的循環壽命，主要採用的方法是加入基於金屬材料鉑Pt的催化劑碳化鉑PtC。對，就是結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"教授領導的研究小組研究出了使用基於成本更低的金屬材料鈀Pd的催化劑Pd3FeC大大提升了鋰-空氣電池的循環壽命(880小時，220次循環，較原來提升接近4倍)。如下圖片就是催化劑Pd3FeC的結構示意圖和使用傳統催化劑（下）鋰-空氣電池和使用催化劑Pd3FeC（上）鋰-空氣電池循環壽命比較圖。

今天我們介紹了傳奇人物John Goodenough"足夠好"教授發明鋰離子電池和磷酸鐵鋰電池技術的故事，並且介紹了他在最前沿的鋰-空氣電池技術方面的突破。目前有種聲音，那就是如果這個星球上如果有人能夠真的實現鋰-空氣電池的量產化的話，那"足夠好"教授絕對就是其中的重要人選。願這位神奇的老爺爺發揚他的科學精神，繼續他的傳奇人生。

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