Goodenough

Gdybyśmy mieli spojrzeć na ostanie osiem dekad technologicznego rozwoju, na które punkty zwrotne szczególnie zwrócilibyśmy naszą uwagę? Może szczepionka przeciwko polio lub internet? Rakiety kosmiczne czy badania fizyki kwantowej, które prowadziły do szerokiego zastosowania laserów? Podejrzewam, że w pierwszej dziesiątce mogłoby zabraknąć miejsca na dwa niepozorne.

Pierwszy to tranzystor, a więc trójelektrodowy półprzewodnikowy element elektroniczny, posiadający zdolność wzmacniania sygnału elektrycznego (podaję definicję za Wikipedią). Wynaleziono go w laboratoriach Bella w 1947 roku, a już w 1957 jego twórcy odbierali nagrodę Nobla. Bez tranzystora nie byłoby dzisiejszej elektroniki.

Drugi wynalazek nie miał szczęścia do nagród. Jego powstanie dało tranzystorowi zasięg. Bez tego jednego elementu nie mielibyśmy smartfonów, tabletów i laptopów. Nie byłoby Apple’a, Samsunga i koncernu Tesla. Powitajmy: baterię litowo-jonową.

Została ona wynaleziona przez 57-cio letniego doktora fizyki Johna Goodenogh’a w 1980 roku. Jego przełomowym pomysłem było zastosowanie katody pokrytej tlenkiem kobaltu. Wszystkie urządzenia na całym świecie opierają się na tej innowacji i do tej pory nikomu nie udało się wymyślić czegoś lepszego.

Zasadniczo bateria jest urządzeniem, które zmusza naładowane elektryczne atomy (zwane jonami) do odbycia podróży z jednego miejsca do drugiego. Ten ruch wytwarza prąd, a on z kolei zasila w energię wszystko co jest podłączone do baterii. W celu zbudowania baterii, potrzeba dwóch elektrod, pomiędzy którymi będzie się odbywał ruch jonów. Nieodzowny jest też elektrolit, czyli substancja, która umożliwi jonom przemieszczanie się. Jedna z elektrod będzie naładowana ujemnie – nazywamy ją anodą. Druga, naładowana dodatnio, nosi miano katody.
W sytuacji gdy bateria się rozładowuje (będąc podłączoną do urządzenia, które czerpie z niej energię), dodatnio naładowane jony przemieszczają się z anody do katody – tworząc prąd. Jeśli naszą baterię można ładować ponownie, to wówczas proces się odwraca, czyli jony wracają na anodę, gdzie są przechowywane, aż do ponownego użycia. Wszystko co jest do zaprojektowania w baterii sprowadza się do materiałów, z których jest zrobiona anoda, katoda i elektrolit.

Na początku XX wieku przy produkcji baterii wielokrotnego ładowania korzystano z technologii wymyślonej przez Planté’a w 1859 roku, elektrody były ołowiane, a za elektrolit robił kwas siarkowy. Ford próbował w latach 60-tych sodowej anody i siarkowej katody, ale pomimo lepszej specyfikacji baterii, nie udało się jej wykorzystać w samochodzie z powodu niestabilności i możliwości samozapłonu.

Drugą stroną wyścigu do uzyskanie lepszych baterii byli wynalazcy, którzy próbowali swych sił z bateriami jednorazowymi. Królowały baterie o elektrodach cynkowo-węglowych, nieco w tyle pozostawały rozwiązania niklowo-kadmowe. Obie jako elektrolit wykorzystywały kwasy. Przełomu dokonał Stan Whittingham, wraz z kolegami ze Stanford, wykorzystując wielowarstwowe elektrody z siarczku tytanu, które mogły przesyłać jony litu między sobą. Exxon zaprosił cały zespół do siebie, pracując w tajemnicy przed Bell Labs, opantentowali w 1976 roku baterie wykorzystujące lit. Nie było to rozwiązanie dalekie od idealnego. Przepełnione baterie litowe miały tendencję do samozapłonu, a proces ich ładowania i rozładowywania był czasochłonny.

W tym momencie na scenie pojawia się John Goodenough, mający doświadczenie nabyte w  MIT z tlenkami metali (badał wówczas między innymi wpływ magnetyzmu na różne materiały w skali cząsteczkowej – prawo Goodenough-Kanamouri’ego) oraz kierujący laboratorium chemicznym na Oxfordzie. Biorąc na warsztat pracę Whittinghama podejrzewa, że tlenki lepiej poradzą sobie z ładowaniem i rozładowywaniem przy wyższym napięciu, co przyniesie więcej energii. Dzięki metodycznej pracy, kierując dwoma zespołami asystentów, którzy żmudnie sprawdzali możliwe zaangażowanie różnych tlenków metali w celu uzyskania jak największego napięcia. Przełom nastąpił w 1980 roku, cztery lata po przybyciu Goodenough’a na Oxford. Katody pokryte tlenkiem kobaltu, przepychały połowę litu pomiędzy sobą generując napięcie 4-ech woltów. To był wynik nieprawdopodobny dla wielokrotnie ładowalnych baterii, umożliwiający zastosowanie rozwiązania zarówno dla kompaktowych, ale też większych urządzeń. Nic na rynku nie mogło się równać z tym wynalazkiem.

Niestety Goodenough nie skorzystał na boomie na swój wynalazek. Oxford nie opatentował baterii, nie widząc przewagi w posiadaniu praw do niej. Sam naukowiec zrzekł się ewentualnych tantiem na rzecz rządowych laboratoriów, żywiąc nadzieję, że jego rozwiązanie dotrze na rynek.
Sony zaprezentowało pierwszą komercyjną baterię litowo-jonową w 1991 roku wraz z nowym model ręcznych kamer. Był to rynkowy przełom, który przyniósł japońskiemu koncernowi krociowe zyski.
Dziś wynalazek Goodenough’a nie tylko napędza nasze tablety, smartfony czy laptopy. Dzięki zmniejszeniu swojej wielkości i powiększeniu pojemności baterie litowo-jonowe ponownie otworzyły rynek samochodów elektrycznych.

Dziś, 92-u letni John Goodenough nadal pracuje, teraz na Uniwersytecie Teksaskim w Austin. Przed śmiercią chce olśnić świat jeszcze jednym wynalazkiem. Tym razem na cel wziął gromadzenie i wykorzystywanie energii ze źródeł odnawialnych (słońce, wiatr), aby nie ginęły jeśli nie zostaną wykorzystane od razu. 

Więcej o barwnej postaci Johna Goodenough’a można przeczytać w pasjonującej książce napisanej przez Steve’a LeVine’a - „The Powerhouse”.