离子电池的故事充分说明了创新日益全球化的本质 | 智能技术

发布日期:2019-10-30 10:00
2019年诺贝尔化学奖:离子奖。


照片:丹尼尔·利尔·奥利瓦斯、克里斯托夫·斯泰希、野井裕久/法新社/盖蒂图片社

2019年诺贝尔化学奖授予约翰·B·古登堡、M·斯坦利·惠廷汉和秋叶吉野发明锂离子电池,说明了这一装置在当代社会的中心地位。这种电池储存的能量和释放的速度比任何其他可充电的替代品都要快,这种质量改变了我们的工作和生活方式。

几乎所有的移动电话和无线手持设备都使用电池,而且电池一直是人工智能信息技术革命的无名英雄,在实现移动计算方面,它的每一点都和微处理器一样重要。在特斯拉的手中,锂离子动力扰乱了汽车行业,改变了公众对电动汽车的看法,认为电动汽车笨重、动力不足、短腿。在一个非常真实的意义上,我们生活在记者塞思弗莱彻所说的锂经济中。

就像许多关于创新的故事一样,锂离子电池的历史以许多人多年来所做的贡献为特征(远远超过诺贝尔委员会所承认的)。这些贡献受到不断变化的经济和社会动态的制约,可以归结为四点。首先是跨学科。德克萨斯大学奥斯汀分校的教授古德内尔不是化学家,他在这一领域的诺贝尔奖获得肯定会让他觉得好笑。作为一名专门研究固体物理的理论物理学家,他将自己的职业描述为设计实验供化学家执行的职业。第二个因素是偶然性。正如不止一位观察者所指出的,运气是成功科学的永恒伴侣。第三个因素是公共政策,它对于培育颠覆性思想至关重要,否则市场会以短期利益的名义加以压制。第四是国际主义。

他们的工作包括搜索元素周期表,找到生产廉价、耐用和安全电池的材料组合。

在这些方面,惠廷汉和吉野幸男发明锂离子动力的故事都说明了这些年来基于科学的创新发生了多大的变化。与另一个著名的诺贝尔三人组相比,它是由沃尔特·布拉坦、约翰·巴丁和威廉·肖克利组成的贝尔实验室团队,他们在1947年发明了世界上第一个工作晶体管,硅基半导体和微处理器的鼻祖。 

Goodenough大致上与Bardeen作为该群体各自的理论家相提并论,但相似之处基本结束于此。贝尔实验室的男孩们作为一个团队在一个已经成为美国创新的虚拟转喻的机构里工作了几年,古德登、惠廷汉和吉野幸男在不同国家的一系列机构里独立工作的时间要长得多,可以追溯到20世纪50年代初。

基本上,他们的工作包括搜索元素周期表,找到生产廉价、耐用和安全电池的材料组合。锂可回收物之所以如此有效,是因为它们富含高活性和易燃材料,特别是锂金属氧化物。正如goodenough曾经告诉我的那样,获得正确的平衡是拥有有用电池和简易爆炸装置之间的区别。

锂离子电池的起源故事根本不是从电池开始的,而是从电脑开始的。它追溯到GooDeof在MIT林肯实验室的一位年轻物理学家的金属氧化物实验中,在1950年代早期,他加入了一个团队,致力于控制美国第一个防空预警系统雷达的数字旋风的磁记忆。这是大科学的全盛时期,在那个时期,无定向研究被认为是技术创新和经济增长的秘密调味品。当旋风在20世纪50年代末结束时,Goodenough留在林肯实验室,在那里他被允许在他自己的任期内对金属氧化物进行基础研究10年,这一切都是由纳税人承担的。


Whittingham的电池是第一个使用“插层法”的电池,即在阴极的层状结构中可逆存储锂离子


goodenough的电池在阴极中使用了不同的材料,因此更加稳定


吉野幸男的电池是第一个展示由碳制成的安全阳极的电池

快到20世纪70年代了。当得知一家石油公司资助开发了第一款真正的锂离子电池时,可能会感到惊讶,但这正是能源危机期间发生的事情。面对汽车制造商可能被迫制造电动汽车的可能性,石油公司希望对冲他们的赌注,并排队供应能源。正是在埃克森美孚的雇佣下,英美化学家、现为宾汉顿纽约州立大学教授的惠廷汉发明了一种基于二硫化钛的化学物质,他用它来演示“插层”,即离子在层状结构中的可逆存储,可充电锂电池的基本工作原理。

有一个问题:惠廷汉把他的注意力放在了正极或阴极上;另一个电极,阳极,他用金属锂制成,它具有很强的反应性。反复的充放电在这些物质之间引起了电化学反应,使电池变成了炸弹。

“在埃克森美孚炸毁了几个实验室之后,他们就退出了先进的电池行业,”古德内足回忆说。

越来越多的美国政策制定者希望科学能够迅速地支付技术红利,以满足紧迫的社会和经济需求。

与此同时,美国科学政策的转变,把古德恩从林肯实验室(Lincoln Labs)的利基岗位上赶走。民权运动和反战激进主义的兴起使人们关注五角大楼对学术科学的参与。1969年和1971年,国会通过了曼斯菲尔德修正案,结束了对无方向学术研究的军事支持,并打破了大学科学史上最大的赞助人。此外,美国的科学政策制定者对基础的无方向性研究的核心前提正变得不再抱有幻想。他们越来越希望科学能为满足紧迫的社会和经济需求而迅速支付技术红利。 

1976年,当新成立的能源部征用了古登堡所有的研究成果,作为其重组联邦能源研究与开发的一部分时,这位物理学家跳槽到英国牛津大学(oxford university)担任无机化学实验室的主席。正是在这些优雅的环境中,他和日本物理学家沟岛幸一开发出了能改变消费类电子产品进程的电池材料。意识到Whittingham与硫化物的经验,Goodenough和MiSuima使用层状金属氧化物作为阴极材料,在锂钴氧化物上沉淀作为稳定和能量之间的最佳平衡。

但它们仍然缺乏合适的安全阳极。这一创新的导火索来自消费电子产品。虽然日本公司在很大程度上被微软Windows和英特尔半导体的Wintel双寡头垄断所冻结,但在20世纪80年代和90年代,它们几乎主宰了消费电子产品的所有领域。廉价而强大的微处理器使日本设计师能够创造出大量的手持设备,这反过来又产生了对一种新的充电电池的需求,这种充电电池能够为这些电子需求旺盛的应用提供果汁。在20世纪80年代中期,索尼的EngyTeCe部门开始致力于开发一种用于锂钴氧化物阴极的安全阳极,以替代较低容量的镍镉电池。解决方案是石墨,一种稳定的非活性材料,有助于安全充电。这个组件是由旭化成的吉野幸男精心开发的,但它的商业化也要归功于索尼的研究员西野幸男。1991,索尼首次以商用锂钴氧化物电池上市,成为笔记本电脑、手机和计算机电话的标准充电化学品。

在上世纪90年代,公共政策,现在以环境政策的形式,重新成为推动锂动力最重要篇章的动力。加州1990年的零排放汽车法令迫使汽车制造商制造电动汽车,并有助于刺激联邦政府对包括锂离子系统在内的先进电池的大规模研究。但锂进入电动汽车领域的原因是,主流汽车制造商在21世纪初暂时取消了这一授权,召回并销毁了他们的电动汽车车队,这一愚蠢行为激怒了汽车爱好者,并刺激了一位名叫马丁·埃伯哈德的年轻电气工程师采取了自己动手报应的行为。如果汽车制造商不打算提供加州人所要求的清洁汽车,他解释说,为什么不自己在一个巨大的电池上建立自己的电池,这是使用过数千个锂钴氧化物笔记本电池的电动汽车中最强大的电池?这是一个不太可能的计划,它成为了一家初创企业的基础,这家企业颠覆了汽车制造业的常规。埃伯哈德后来与马克·塔潘宁、J.B.斯特劳贝尔和埃隆·马斯克一起创立了特斯拉汽车公司,并在慷慨的州和联邦补贴的帮助下,成功地成为唯一一家专门生产全电池电动汽车的大公司,引发了一种蝴蝶效应,主流汽车制造商争先恐后地重返他们曾经鄙视的领域。

锂离子电池的历史表明,虽然美国人可能不再垄断创新及其回报,但全球合作的好处远远大于坏处。

在锂离子电池商业化的故事中,有许多教训可供当代决策者借鉴。几乎没有人会对基础科学在技术创新中的中心地位提出异议,但预测基础科学产生有用技术的环境是一个愚蠢的游戏。过去,像ibm、通用电气(general electric)以及最重要的at&t/bell labs这样的垂直整合的大型公司都有自己的基础科学,那是在它们如此庞大和富有以至于能够为蓝天思维买单的时代。那些日子早就过去了。

信息技术革命在20世纪70年代兴起的原因之一是专业化的效率。没有一家公司能做到这一切。一些公司,如英特尔,制造组件,而另一些公司,如苹果和高通,专门从事设计;还有一些公司,如戴尔,致力于系统集成。离岸外包和外包帮助硅谷创造了惊人的财富,虽然政策制定者和专家们长期以来都在为贝尔实验室(bell labs)等美国经典创意工厂的消失可能对未来意味着什么而烦恼,但创新是一种跨国现象。

锂离子电池的历史表明,虽然美国人可能不再垄断创新及其回报,但全球合作的好处远远大于坏处。它还表明,当市场无法提供公平的结果时,公共政策可能会进入违约状态。由于贸易战、本土主义以及阻止加州控制自身空气质量的企图,现任美国政府最好能记住这段历史。