Джон Гуденаф: «В 97 лет я еще недоделал свою работу»
В мае 2019 года корреспонденты радиослужбы «Stereo Chemistry», которая принадлежит журналу Американского химического общества «Chemical and Engineering News», Митч Якоби и Керри Янсен встретились с Джоном Гуденафом в Техасском университете, где ученый в свои 97 лет продолжает плодотворно работать, чтобы услышать историю о том, как бывший метеоролог придумал ключевой материал для электроники. Редакция журнала любезно разрешила «Химии и жизни» подготовить материал на основании этой радиопередачи.
Джон Гуденаф семь десятилетий работает над материалами для литий-ионных батарей. И до сих пор, день за днем, он приходит в свой университетский кабинет или лабораторию в Техасском университете в Остине. Ученые мужи и комментаторы научных новостей регулярно упоминают Гуденафа, ведь его работа оказала глубокое влияние на электронные устройства и образ нашей жизни. Но сначала давайте немного узнаем о самом человеке и о пути, который привел его к науке о батарейках.
Джон вырос в Коннектикуте, недалеко от Йельского университета, где его отец был профессором теологии. Дом родителей находился в сельской местности за пределами Нью-Хейвена. «Я открывал дверь, а там были поля и лес, — вспоминает Джон Гуденаф. — Я ловил бабочек, сурков. Однажды я освежевал скунса, и мама не разрешила мне прийти на ужин. С двенадцати лет я посещал Епископальную школу-интернат, а когда пришло время поступать в колледж, выбрал программу либеральных искусств в соседнем Йеле». Согласно идее этого курса, в течение двух лет студент должен был определить, какое направление вызывает у него наибольший интерес. «Это было похоже на шведский стол, с которого можно брать самые разнообразные блюда, — говорит Джон Гуденаф. — Мой отец дал мне 35 долларов и сказал: “Вот, мальчик, теперь ты можешь поступить в университет”».
Тогда обучение в Йеле стоило около 900 долларов в год, но никак не 35. Так откуда же взялись остальные деньги? «Я сказал, что больше не возьму из дома ни пенни, и все студенческие годы работал 21 час в неделю, чтобы прокормиться, — поясняет Джон Гуденаф. — Летом я обучал сыновей в богатых домах. Этого хватало и на еду, и на оплату комнаты. А еще помогали друзья: их матери были добры ко мне, кормили обедами. Так что я справился. Я не любил читать, даже сейчас не очень хорошо читаю и потому не собирался заниматься историей или юриспруденцией. Я сосредоточил свои занятия на математике, хотя рассчитывал, что появится возможность поступить в медицинскую школу. Однако на дворе было начало 40-х годов, война уже бушевала в Европе, угрожая чаяниям целого поколения студентов. На зиму моего второго курса пришелся Пёрл-Харбор, — вспоминает Джон Гуденаф. — И когда я собрался идти добровольцем на войну, мой профессор математики сказал: “Джон, не ходи в морскую пехоту, как все твои друзья. Иди в военную метеорологическую службу. Там нужны люди, которые знают математику“. И я подумал: ну, это неплохая идея».
Военная метеорологическая служба имела дополнительное преимущество — удержала Джона подальше от линии фронта. Но в Вооруженные силы он попал не сразу. Задержка составила год, и это дало ему возможность за два с половиной года закончить все, кроме одного курса для степени бакалавра в Йеле. Но за этот пропущенный курс зачли армейскую метеорологическую подготовку.
В 1944 году Джон окончил Йельский университет с отличием и степенью по математике. Затем он служил метеорологом на Азорских островах у берегов Португалии. Однако уже по окончании Йеля Джон почувствовал призвание заниматься физикой. И такой шанс представился: университетский профессор математики дал Джону рекомендацию в аспирантуру; это выглядело как чудо.
«Мне предложили изучать физику и математику либо в Северо-Западном, либо в Чикагском университете, — рассказывает Джон Гуденаф. — Я выбрал второе, но меня там, похоже, не ждали. Помню, мне сказали: “Разве вы не знаете, что любой, кто достиг чего-то важного в физике, уже сделал это в вашем возрасте? А вы хотите только начать?” В 1940-х годах в Чикагском университете была довольно высокая планка физики, ведь за нее отвечал Энрико Ферми. Он установил тридцатидвухчасовой квалификационный экзамен. Мы его сдавали восемь часов в день в течение четырех дней. Студенты должны были собрать большую часть материала для изнурительного экзамена, проведя собственное расследование, поскольку не всё преподавали на официальных курсах. И мне пришлось сдавать этот ужасный экзамен дважды!»
Джон сдал экзамен во второй раз и получил разрешение начать работу над докторской диссертацией. Но над чем работать — и с кем? «Я знал, что не хочу заниматься ядерной физикой, — вспоминает Джон Гуденаф. — Альтернативой была физика твердого тела. Поэтому я пошел к Кларенсу Зенеру, который в то время был уже профессором физики в Чикагском университете. “Могу ли я быть вашим учеником?” Он сказал: “Хорошо, приходите в четверг, и я дам вам знать”. Когда я вернулся, Зенер сообщил: “Все в порядке, Джон. Я решил, что ты можешь быть моим учеником. Теперь у тебя есть две задачи: найти проблему, а потом решить ее. Удачи!”»
Не самый теплый прием. Другой бы, наверное, подумал: «О черт! Во что я ввязался? Может быть, я не гожусь для аспирантуры?» Тем не менее не слишком дружелюбный прием был хорошим толчком к независимому мышлению. Работая с Зенером, Джон изучал взаимосвязь между структурой и электронными свойствами сплавов.
Когда подошел последний год аспирантуры, Зенера пригласили возглавить научно-исследовательскую группу компании «Вестингауз» в Питтсбурге, и он договорился, чтобы Джон завершил там свою докторскую работу в качестве платного исследователя. Наконец, получив жалованье и наслаждаясь относительной финансовой независимостью, Джон женился на Ирен, своей университетской возлюбленной. Вскоре после этого, в 1952 году, он получил первую постоянную работу — в лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института; этот исследовательский центр Министерства обороны США изучает и разрабатывает технологии для национальной безопасности.
У лаборатории был контракт с ВВС на разработку схемы защиты США от самолетов вероятного противника. У военных летчиков были радары, у них была связь, но у них не было цифрового вычислителя. Надежный цифровой вычислитель, как его тогда называли, был недостающей частью головоломки. В то время разрабатывали самые первые коммерческие компьютеры. Это были большие машины — размером с танцевальный зал, с большим количеством вакуумных ламп и магнитных барабанов для хранения данных. Имевшаяся технология не давала тех объемов памяти, которые были необходимы ВВС, и отчасти из-за отсутствия соответствующих электронных материалов. Исследования, которые Джон Гуденаф предпринимал почти четверть века в лаборатории Линкольна, были связаны с магнетизмом; он изучал оксиды переходных металлов, разрабатывал магнитные материалы для ранних устройств компьютерной памяти. Но в конце концов ВВС сократили поддержку проектов, которые больше всего интересовали Джона. Поэтому он в 54 года решил уехать в Англию, в Оксфорд.
«По какой-то причине у людей в Оксфорде хватило фантазии пригласить неакадемика с физическим образованием, чтобы стать там главой лаборатории неорганической химии, — вспоминает Джон. — И моя жена довольно мудро сказала: “Я думаю, Джон, ты поедешь в Оксфорд”».
Итак, Джон отправился в Оксфорд. Ему предстоит заниматься аккумуляторными батареями, которые известны очень давно. Свинцово-кислотные аккумуляторы, ныне широко используемые для запуска бензиновых и дизельных автомобилей, существуют с 1800-х годов. Они очень надежны, но большие и тяжелые. Долгое время мало кто из исследователей интересовался батареями, потому что их улучшение никому особо и не требовалось.
Все изменилось, когда арабское нефтяное эмбарго 1973 года заставило Запад осознать, насколько он зависит от иностранных источников энергии. Итак, в 1976 году Джон работает в Оксфорде. И теперь пришло время привлечь к этой истории еще одного ученого, который сыграл важную роль в мире аккумуляторных технологий, — Стэнли Уиттингема — британского химика и материаловеда из Бингемтонского университета (США). Он знаком с Джоном Гуденафом почти 50 лет, с тех пор как они оба в Массачусетсе и Стэнфорде изучали перемещения ионов через твердые тела. «Джон отличный парень, с которым можно работать, обсуждать, — рассказывает Стэнли Уиттингем. — Его смех можно узнать за версту. Я познакомился с Джоном, когда сам работал над твердым электролитом из бета-глинозема».
Твердые электролиты — очень интересная тема исследований. Почти все батареи сегодня используют жидкие электролиты, ведь чтобы батарея работала хорошо, ионы должны быстро перемещаться через электролит от одного электрода к другому. В твердых телах они обычно движутся гораздо медленнее, чем в жидкости. Однако некоторые твердые тела — хорошие ионные проводники, поэтому ионы могут двигаться в них быстрее. Такие материалы и были предметом интереса групп обоих исследователей.
Но зачем заменять жидкие электролиты, если они работают нормально? Жидкости, которые используют для транспортировки ионов, как правило, вызывают коррозию или легко воспламеняются. Их замена твердым веществом повышает безопасность. Исследователи уже давно работают над твердыми электролитами для батарей, но оптимальный еще не найден.
Однако опыт, который получили обе исследовательские группы при работе с твердыми электролитами, им пригодился. Ведь все сводится к вопросу: каким образом ионы перемещаются в твердых телах. И отвечать на этот вопрос нужно для разработки как твердых электролитов, так и твердых электродов. Неудивительно, что Стэн придумал электрод литиевой батареи из дисульфида титана. Этот слоистый материал состоит из множества листов, между которыми могут встраиваться ионы лития. Такой процесс называют интеркаляцией.
Соединив катод из дисульфида титана с анодом из металлического лития и поместив все в органический жидкий электролит, группа Стэна придумала первый перезаряжаемый литиевый аккумулятор. Вот как это функционирует: ионы лития текут от анода через жидкость к катоду из дисульфида, где они встраиваются в листы, а затем снова выходят и текут назад, к литиевому аноду. Так батарея заряжается и разряжается. Батарея вышла легкой и работала при комнатной температуре. Компания «Эксон», в которой к тому времени работал Стэн, запатентовала ее.
Но если группа Стэна Уиттингема сделала первый перезаряжаемый литий-ионный аккумулятор, то какова роль Джона Гуденафа во всей этой истории? Оказалось, что у батареи «Эксона» были проблемы. При некоторых условиях зарядки, когда ионы лития начинают возвращаться к литиевому аноду, металл накапливается в виде тонких игольчатых структур, известных как дендриты. Если они растут достаточно долго, то смогут протянуться от одного электрода к другому, замкнуть батарею, и она взорвется. Ведь металлический литий обладает высокой реакционной способностью во влажном воздухе, а раствор органического электролита легко воспламеняется.
В Оксфорде Джон изучал магнитные свойства оксидов металлов, в частности кобальта. И он заметил, что структура оксидов кобальта похожа на структуру дисульфида титана, которую группа Стэна использовала в своих катодах. Тогда Джон предположил, что и его кобальтовый материал может также работать в качестве интеркаляционного электрода. Предчувствие не обмануло: батарея с кобальтом не просто работала, но давала более высокое напряжение, чем батарея «Эксон», то есть лучше накапливала энергию.
Итак, Джон нашел оксид лития-кобальта, или кобальтит лития, и придумал, как использовать его в качестве катода, который будет выдерживать постоянное движение лития внутрь электрода и наружу, снова и снова, не разваливаясь на части. Так была решена одна половина головоломки.
Примерно в то же время Самар Басу из «Белл Лабс» в США и Ёсино Акира из корпорации «Асахи Касеи» в Японии показали: ионы лития могут встраиваться в другой слоистый материал — графит. В результате, спустя несколько лет после приезда в Оксфорд, Гуденаф продемонстрировал мощную батарею с оксидом лития-кобальта в качестве катода и с графитом в качестве анода. Новая батарея работала примерно на 4 вольта, гораздо больше, чем 2,4 вольта у батареи Стэна. И она была безопаснее, потому что в ней не было металлического лития.
Тут в игру вступила компания «Сони», специалисты которой поняли, что батарея, которую продемонстрировала группа Джона, — серьезный технологический прорыв. Они коммерциализировали батарею в 1991 году, проложив путь к быстрому росту портативной электроники и сделав литий-ионные батареи невероятно успешными. Катод, который придумал Джон, и идея соединить его с графитовым анодом были не просто серьезным достижением в электрохимии. Это было важнейшее технологическое достижение, которое стремительно, подобно катапульте, превратило хорошую идею литий-ионных батарей в коммерчески успешное изделие.
История литий-ионного аккумулятора с тех пор испытала довольно много поворотов. Короткая версия событий состоит в том, что в этой области произошла коммерциализация нескольких других катодных материалов из лаборатории Джона после того, как в 1992 году он переехал из Оксфорда в Техасский университет. Примечательно, что Джон никогда не зарабатывал деньги на литий-ионных батареях. Оксфорд не запатентовал технологию; в университете тогда мало занимались защитой интеллектуальной собственности. Джон передал лицензионные права расположенному недалеко от Оксфорда британскому исследовательскому учреждению по атомной энергии.
Джон Гуденаф говорит, что его часто спрашивают: «Вы предвидели, к чему приведет ваша работа?» — «Конечно, нет, — отвечаю я. — Я не знал, что ее результаты будут стоить миллиарды».
Действительно, отраслевые аналитические фирмы предсказывают, что стоимость глобального рынка литий-ионных батарей вырастет в следующие пять лет до 100 миллиардов долларов от нынешних примерно 35 миллиардов. Специалисты уже много лет говорили, что Джон должен получить Нобелевскую премию. И вот свершилось! «Признание далось Джону нелегко, потому что физики на самом деле не считают его физиком, а химики — не считают химиком, — говорит Стэнли Уиттингем. — Он фактически увлекался междисциплинарной наукой до того, как это стало принято».
Мария Хелена Брага, профессор кафедры инженерной физики Университета Порту в Португалии, сотрудничает с Джоном с 2015 года и проводит много времени в Остине, чтобы понять свойства стекловидного твердого электролита. Стэн и Джон не смогли заставить их работать в литиевой батарейке, но исследователи не оставляют попытки. Литий опасен, когда он подвергается воздействию воздуха и влаги, и особенно, когда нагревается. Если его защитить правильной оболочкой и использовать твердый электролит вместо горючей жидкости, батарея станет действительно безопасной. Твердый электролит Браги состоит из лития, кислорода, хлора и легирован небольшим количеством бария. Джон любит называть его «Брага гласс». Есть также версия с натрием вместо лития. Стекло — отличный ионный проводник, а Джон и Хелена пытаются понять его свойства, чтобы использовать в качестве безопасной альтернативы легковоспламеняющимся жидким электролитам в литиевых или натриевых батареях.
Хелена говорит, что у Джона есть врожденное чувство эксперимента, позволяющее судить о том, будет план разумным или нет; 70 с лишним лет размышлений об атомах и электронах в твердых телах, особенно магнитных материалах, дали Джону Гуденафу возможность представить себе, что происходит на атомном уровне. Поэтому Джон столь увлеченно ищет идеальный твердый электролит.
This article is translated and reproduced with permission from Chemical & Engineering News (© 2019 American Chemical Society). The article was first published on Sept. 4, 2019 (cen.acs.org/people/profiles/Podcast-97-lithium-ion-battery/97/i35)