“2019年10月9日,瑞典皇家科学院公布了2019年诺贝尔化学奖得主,他们分别是约翰.B.古迪纳夫(John B.Goodenough)、M.斯坦利.威廷汉(M.Stanley Whittingham)和吉野彰(Akira Yoshino),以表彰他们在锂离子电池领域所做出的巨大贡献。这三位科学家分别来自美国、英国以及日本,在他们三个的共同努力之下,成功的将锂离子电池推向市场,促进了如今智能手机、笔记本电脑、电动汽车等行业的快速发展。
“我们有些人就像是乌龟,走得慢,一路挣扎,到了而立之年还找不到出路。但乌龟知道,他必须走下去。”——John·B·Goodenough”
John B.Goodenough,人称“足够好”老爷爷,1922年7月25日出生在德国,目前是美国德州大学奥斯汀分校的机械工程、材料科学教授,今天是老爷子98岁寿诞,在这里,祝贺老爷子生日快乐!
John B.Goodenough出生在德国的一个富足的家庭,在纽黑文度过童年,他的父亲当时担任大学的历史助理教授。21岁时,Goodenough被耶鲁录取。刚开始学文,后面学物理学,毕业时获得数学学士。
二战期间,在数学教授(导师)的鼓励下,曾作为“气象学家”加入美国空军参加二战,随后就被派驻纽芬兰岛,后来又转驻亚速尔群岛,工作是调度大西洋上空的美军飞机。Goodenough一直在亚速尔群岛上待到1946年,1948年退役,并被选为21个“我军未来优秀学者人才计划”中的一员。随后考取芝加哥大学成为物理硕士生,1951年获得硕士学位,1952年,继续攻读博士,他当时的量子力学老师就是大牛Clarence Zener。
20世纪中期,物理学大放异彩,当时一名教授告诫他,他的年纪太大,已经过了博取开创性成就的年龄。这话说的没错,爱因斯坦26岁提出相对论,波尔28岁提出波尔模型,当时Goodenough已经30岁。并且,物理学的基本理论已经基本完工,后人大多只能做些添砖加瓦的工作,很难开创性的成就。不过此时的Goodenough不再像大学时期摇摆不定,他坚定的选择了攻读物理学博士。
他的博士毕业论文是固体物理方面的关于铁的参杂。在导师的指导下,他的物理基础格外扎实。
芝大毕业后他进入了MIT的林肯实验室工作,主要复杂关于固体磁性的研究工作,首次接触到锂离子在固体中的迁移。随后展开固态陶瓷研究,期间发现了铁氧体磁芯的电流重合记忆功能,Goodenough-Kanamori规律,对计算机发展起到了关键作用。他的理论功底深厚,对钙钛矿结构氧化物的铁磁性研究非常深入,他写的书《Magnetism and the chemical bond 》仍然是这一领域的经典。也是此时,他首次研究电池,不过是燃料电池和钠硫电池。
1976年他进入第一次“跳槽”,作为一名物理学家进入牛津大学,担任学校的无机化学实验室主任。他只上过两门化学课程,读本科时期选修学到的无机化学和硕士阶段学到的有机化学。但也正是这一次跳槽,让Goodenough终于在54岁的年纪开始了一项改变世界的研究。
Goodenough在牛津主要研究的课题是可用于能量转换的新材料。当时他初到英国,英国化学家、和他一起获得诺奖的Stanley Whittingham发明了最早的可充电锂电池,借助锂能嵌入二硫化钛层间这一特性,用二硫化钛做正极,用锂做负极。
基于他以前对固体氧化物的深入理解和研究,他知道锂电池的正极材料如果选用氧化物就会很大程度地提高电池的电压,从而倍增电池可以储存的能量密度。问题是自然界、人工合成的那么多氧化物中选那一个呢?
Goodenough的水平就在这里,他极其精准的选择了层状氧化物LiCoO2,这个材料以及这个材料体系中的各种衍生物直到今天仍然是各方面综合性能最好、应用最广泛的锂离子电池正极材料。
现在很热门的三元正极材料,(比如用于Tesla的新一代汽车电池中的NCA),还是基于LiCoO2体系的参杂(加入Ni,Al,Mn等等)。Goodenough对于LiCoO2的发现,有一点可以说是电池领域内的革命性突破——他从根本上改变了电池的设计思维和逻辑。
因为此前的锂电池都是设计成一开始就是充满电的状态,换句话说就是正极材料不含锂,负极必须含锂。所以所有人都用锂金属作为负极材料,再用不含锂的化合物作正极材料。电池生产出来就是“满电”,也就是现在的一次性锂电池。但如果用LiCoO2作为正极材料,电池生产出来是“没有电”的状态,需要先充了才能用。
这一次思路是如此的“不正统”, 并且此前发生过多起锂电池爆炸事故,大家闻锂电池色变,甚至牛津都不愿意帮忙申请专利,而是让英国原子能研究机构申请到了这个专利,以至于当时Goodenough在英国、欧洲大陆还有美国竟然找不到一家电池企业愿意接收他的这项发明。索尼成功接下了这个“烫手山芋”,并和自己研发的负极材料(石墨)放在一起,创造了新电池,并将之商业化,用在了各种各样的电子产品中。
新电池不但从原理上解决了锂金属的各种致命问题,而且因为不再需要条件苛刻的负极材料制造环境,加之石墨又便宜,从而极大地降低了生产成本,并大幅度地提高了这一新充电电池的各项综合性能,一跃成为行业老大,并最终成就了锂离子电池如此广泛应用的今天。
而Goodenough,甚至没有从如今这价值350亿美元的锂电池市场中赚到钱。不过他本人后来在接受c&en采访的时候反而很淡定:“我当时并不知道它会值这么多钱。”
虽然在57岁才发现了让他名声大噪的LiCoO2,但Goodenough似乎就是一个耐久型选手,后来还发现了许多种电池材料:1983年,61岁的他发现锰尖晶石正极材料。锰尖晶石低价、稳定和优良的导电、导锂性能。其分解温度高,且氧化性远低于钴酸锂,即使出现短路、过充电,也能够避免了燃烧、爆炸的危险。截至2013年锰尖晶石用于商业电池。
牛津大学要求65岁强制退休的,但Goodenough不想退休,于是他在64岁的时候又跳槽了。这次,他回到了美国,在德州大学奥斯汀分校当机械工程和材料科学教授,继续做研究。
1997年,这位75岁的老教授又发现了自LiCoO2之后的又一极其优秀的正极材料体系——即以LiFePO4 (以下称为LFP)为代表的磷酸盐体系。LFP在安全性、循环稳定性、寿命、效率、低成本(不含钴)等方面都比LiCoO2有极大地提高。而且LFP还有真正实现电池快速充放电的潜力。自LFP被报道之后,此类材料就成为学术界、工业界追捧的对象,甚至A123 公司靠卖LFP发家。
直到现在,他还在科研一线继续解决“问题”。
2018年,Goodenough接受媒体采访时也谈到了自己的问题,他说:我想解决汽车的问题,我想让汽车尾气从全世界的高速公路上消失。我希望死前能看到这一天,我今年 96 岁,还有时间。
解决问题并不仅仅只是靠口号。Goodenough仍旧活跃在科研前线,他和自己的团队还发现了一种用于钠离子电池的新型安全正极材料。
并仍旧有作品发表,比如这篇:
他所发的文章并没有那么高大上,LiCoO2发在Mater. Res. Bull. 上,这个期刊到现在的影响因子也只有二点多。1997年的LFP也只是发在, J. Electrochem. Soc., 上,这个期刊的影响因子以前只有二点几。这和很多动辄在高IF文章上灌水,但没有什么实际应用的“大牛”们对比鲜明。
他还在2019的采访中说:我不想退休等死,我想努力奋斗,我相信我们正在做的事情是非常重要的。
这些重要的事情有很多,比如他尝试用自然界中存量更多的钠代替锂作为电池材料,以降低电池的成本。再比如,如何用金属锂做正极,制造出更强大的电池。还有电解质方面Goodenough也在尝试用玻璃固态电解质做出更安全的电池。
据说,“足够好”老爷爷现在依旧精力充沛,有人说,整个走廊都能听到他爽朗的笑声。
老先生一生跨越文科、数学、飞机调度、固体物理、电子、磁性、化学、材料等众多领域,能在50岁、甚至70岁之后还可以做出改变世界的重大科研成果,这种例子纵观历史也没几个。
Goodenough教授今年已经98岁高龄,衷心祝福。
足够好,会更好。
参考链接:
https://en.wikipedia.org/wiki/John_B._Goodenough
https://www.me.utexas.edu/faculty/faculty-directory/goodenough
https://www.zhihu.com/question/51298079/answer/125141313
https://zhuanlan.zhihu.com/p/34647699
https://baike.so.com/doc/24662006-25554917.html
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