人類(lèi)電化學(xué)研究領(lǐng)域失去了一位巨人。

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2023年6月26日，諾貝爾化學(xué)獎得主，美國得州大學(xué)奧斯汀分校機械工程系教授、固體物理學(xué)家，鈷酸鋰、錳酸鋰和磷酸鐵鋰正極材料的發(fā)明人，鋰離子電池的奠基人之一約翰·B·古迪納夫（John B. Goodenough）去世，距離其101歲生日僅有一個(gè)月。

這一消息由古迪納夫在得州大學(xué)的學(xué)生在推特上確認。

2019年10月9日，2019年諾貝爾化學(xué)獎頒給了約翰·B·古迪納夫（John B. Goodenough）、M·斯坦利·威廷漢（M. Stanley Whittingham）、吉野彰（Akira Yoshino），以表彰他們對發(fā)明鋰離子電池做出的貢獻。

這種可充電電池奠定了無(wú)線(xiàn)電子產(chǎn)品（如手機與筆記本電腦）的基礎。它還給了人類(lèi)進(jìn)入一個(gè)無(wú)化石燃料世界的可能性，因為它能用于方方面面，從給電動(dòng)汽車(chē)供電到從可再生能源中儲存能量。

獲得諾獎時(shí)，約翰·古迪納夫已滿(mǎn)97歲，他也成為獲獎時(shí)年齡最大的諾貝爾獎得主。獲獎時(shí)的古迪納夫就職于美國得州大學(xué)奧斯汀分校，任該校機械工程和材料科學(xué)教授，繼續從事能源方面的研究。他曾稱(chēng)：“我想在去世前解決（能源）這個(gè)問(wèn)題，我才90多歲，還有時(shí)間?！?/p>

54歲開(kāi)始的鋰想人生，相繼發(fā)明三種鋰電池正極材料

1922年7月25日，約翰·古迪納夫出生在德國耶拿市。兒時(shí)的古迪納夫患有閱讀障礙，但他克服種種障礙，最終從馬薩諸塞州的一所私立寄宿學(xué)校（Groton School）畢業(yè)。

1940?年，古迪納夫進(jìn)入耶魯大學(xué)攻讀學(xué)士學(xué)位。因為跟家中關(guān)系不好，父親只給了35美元，而當時(shí)耶魯大學(xué)的學(xué)費一年是900美元，古迪納夫靠獎學(xué)金和當家教繳納了學(xué)費。

大學(xué)期間，他先是學(xué)習古典文學(xué)，隨后又轉而攻讀哲學(xué)。后來(lái)有數學(xué)教授認為他頗具天賦，又考慮到自己閱讀上的困難，古迪納夫便轉修數學(xué)。1944年，古迪納夫從耶魯大學(xué)數學(xué)系畢業(yè)。

二戰爆發(fā)后，古迪納夫報名參加了美國空軍，但并沒(méi)有成為一名飛行員，而是被派到太平洋一個(gè)小島上去搜集氣象數據。其間，他閱讀了阿爾弗雷德·諾斯·懷特海德的著(zhù)作《科學(xué)與現代世界》，該書(shū)分析了科學(xué)發(fā)現對不同歷史時(shí)期的影響。

古迪納夫在自傳中寫(xiě)道，“我只是覺(jué)得我應該做的是科學(xué)。盡管我還沒(méi)有一個(gè)清晰的規劃，但是我知道，如若我有機會(huì )，我會(huì )去學(xué)習物理?！?/p>

兩年后，古迪納夫獲得芝加哥大學(xué)進(jìn)修物理的機會(huì )，但當時(shí)有學(xué)校教授勸退，“在你這個(gè)年紀，那些物理學(xué)巨匠們早就榮譽(yù)等身了?！?/p>

古迪納夫沒(méi)有退縮，他的導師、大名鼎鼎的穩級二極管發(fā)明者齊納（Clarence Zener）對他說(shuō)：“人的一生只有兩個(gè)問(wèn)題：第一問(wèn)題，是找到一個(gè)問(wèn)題，第二個(gè)問(wèn)題，是把它解決掉?！?/p>

30歲，古迪納夫拿到了芝加哥大學(xué)固態(tài)物理學(xué)博士的學(xué)位。他在麻省理工學(xué)院的林肯實(shí)驗室工作了許多年。在那里，他與Junjiro Kanamori?合作制定了?Goodenough -Kanamori?規則，發(fā)現了材料中磁體交換的規律，為后來(lái)數字計算機的隨機存取存儲器(RAM)的開(kāi)發(fā)奠定了基礎。

上世紀七十年代，古迪納夫受石油危機影響，想要致力于發(fā)展石油之外的其他能源。1967年，古迪納夫應邀負責福特公司的鈉硫電池項目，這也是他首次接觸到電池和電化學(xué)。

福特公司的鈉硫電池原型

1976年，古迪納夫54歲，來(lái)到人生一個(gè)重大的轉折點(diǎn)，他獲得了一個(gè)英國牛津大學(xué)無(wú)機化學(xué)教授職位，正式進(jìn)入能源領(lǐng)域。

57歲時(shí)，古迪納夫發(fā)明了鈷酸鋰材料作為鋰電池的正極材料，1984年，61歲的古迪納夫和他的研究小組又發(fā)現了另一種更為穩定和便宜的材料——錳酸鋰。由于牛津大學(xué)有65歲強制退休的規定，但古迪納夫不甘心，于是加入了美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校，成為該校機械工程和材料科學(xué)教授，繼續鋰電池研究。

1997年，75歲的古迪納夫發(fā)明了磷酸鐵鋰正極材料，這種材料比之前的鈷酸鋰更便宜也更安全，這項發(fā)明催生了“可攜帶便攜電子設備”的誕生。

古迪納夫和鋰離子電池

“如果你不對生活失望，生活也不會(huì )讓你失望”

鋰是一種古老的元素，在宇宙大爆炸發(fā)生的頭幾分鐘產(chǎn)生。1817年，瑞典化學(xué)家約翰·奧古斯特·阿爾弗德森（Johan August Arfwedson）與永斯·雅各布·貝采利烏斯（J?ns Jacob Berzelius）從斯德哥爾摩群島上的外島（Ut?）礦山礦物樣品中純化出了鋰，從此，人類(lèi)發(fā)現了鋰的存在。貝采利烏斯用希臘文中的“石頭”（lithos）來(lái)給這個(gè)新元素命名。

名字聽(tīng)上去很重，但鋰實(shí)際是最輕的固體元素，外電子層只有一個(gè)，這個(gè)電子很容易脫離鋰，加入另一個(gè)原子，當這種情況發(fā)生，就形成了帶有正電荷并且更穩定的鋰離子。鋰的高反應性——是它的優(yōu)點(diǎn)，又是缺點(diǎn)。由于性質(zhì)太活潑，鋰必須要儲存在油中，以免與空氣發(fā)生反應。

在鋰電池發(fā)明之前，最初的可充電電池的電極中含有固體物質(zhì)，當它們與電解液發(fā)生化學(xué)反應時(shí)會(huì )分解，從而毀壞電池。

上世紀70年代，在石油危機期間，英籍化學(xué)家斯坦利?威廷漢（Stan Whittingham）起草了鋰電池的初步方案，以硫化鈦作為正極材料，金屬鋰作為負極材料，制成了一個(gè)可以充放電的電池。

斯坦利?威廷漢所設計的電池顯示出的電壓為?2 V，但該電池的電化學(xué)反應使它容易爆炸，還會(huì )在反復的充放電過(guò)程中逐漸衰減。爆炸的主要原因是循環(huán)過(guò)程中形成的樹(shù)枝狀鋰會(huì )刺穿兩個(gè)電極之間的隔膜，導致電池內部短路，整個(gè)電池會(huì )劇烈升溫而爆炸。

古迪納夫對如何解決電池安全問(wèn)題進(jìn)行了深入分析，認為含有鋰的層狀金屬氧化物將是理想的鋰電池正極，產(chǎn)生電池電動(dòng)勢需要在電池內部保持一定量的離子運動(dòng)，然而，Li+的過(guò)度提取會(huì )導致電極材料層狀結構的崩潰，這是必須解決的問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)四年的研究，古迪納夫和他的團隊首先提出了“用于存儲電池電極的固溶氧化物”，他們于1980?年開(kāi)發(fā)出了鋰離子可充電電池的首選正極材料鈷酸鋰（LixCoO2）。這是一種比金屬鋰更為溫和且能夠提升電池儲存電量的材料，可以可逆地釋放一半以上的?Li+?離子。鈷酸鋰制成的電池顯示出大約4 V的高電壓，這一突破從根本上改變了可充電電池的設計原理。

在其之后，日本學(xué)者吉野彰開(kāi)發(fā)了第一種有商業(yè)價(jià)值的鋰離子電池。他在電池的正極使用古迪納夫的鈷酸鋰，負極使用一種碳材料——石油焦，后者也可以嵌入鋰離子。

1991年，日本索尼公司開(kāi)始銷(xiāo)售第一塊鋰離子電池，從而引發(fā)了電子行業(yè)的一場(chǎng)革命。移動(dòng)電話(huà)更為小巧，?MP3播放器和平板電腦也隨之被研發(fā)出來(lái)。

然而，鈷酸鋰材料雖然提高了電池安全性，但也有不足之處，一是價(jià)格貴，產(chǎn)量不高。二是使用一段時(shí)間后，性能會(huì )衰減。

在發(fā)明鈷酸鋰材料后，古迪納夫和他的研究小組又發(fā)現了另一種更為穩定和便宜的材料——錳酸鋰。這種材料的氧化性遠低于鈷酸鋰，具有低價(jià)、穩定、優(yōu)良導電導鋰性能，即便出現短路的情況，也能避免燃燒爆炸的危險，安全性能大大提高。

1997年，古迪納夫和團隊又發(fā)現，磷酸鐵鋰晶體結構更穩定、壽命更長(cháng)、充電更快。雖然它的能量性能略低于鈷酸鋰，但磷酸鐵鋰表現出一些典型的優(yōu)越優(yōu)勢，例如高穩定性，成本低，工作溫度范圍廣。如今，基于磷酸鐵鋰的可充電電池廣泛應用于電動(dòng)汽車(chē)、大型電網(wǎng)儲能系統、太陽(yáng)能裝置等。

在鋰電池發(fā)展史上，鋰枝晶問(wèn)題從未得到根本解決，安全隱患依然存在。在90?歲的時(shí)候，古迪納夫認為世界需要一個(gè)“超級電池”，并預測最先進(jìn)的固態(tài)鋰金屬電池就是那個(gè)超級電池。當時(shí)，他的團隊已經(jīng)開(kāi)發(fā)出幾種技術(shù)來(lái)實(shí)現固態(tài)鋰金屬電池的超低界面電阻。此外，古迪納夫及其團隊還對其他儲能設備如液態(tài)鈉鉀電池和鈉離子電池等均做出了重要貢獻。

2017年，古迪納夫95歲時(shí)，有人問(wèn)他沒(méi)有拿到諾獎會(huì )不會(huì )遺憾，他說(shuō)：“無(wú)所謂，我已經(jīng)good enough（足夠好了）?！?/p>

在以97歲的高齡獲得諾獎后，約翰·古迪納夫教授實(shí)驗室工作的一位中國研究者在接受媒體采訪(fǎng)時(shí)表示，“教授每天都來(lái)辦公室工作，和大家一起討論實(shí)驗進(jìn)展，每天我們整層樓都能聽(tīng)到他爽朗的笑聲。雖然已經(jīng)97歲，但他每周也有50個(gè)小時(shí)的工作量，周末在家也同樣工作?！?/p>

“他辦公室的門(mén)白天都開(kāi)著(zhù)，我們可以隨時(shí)找他討論問(wèn)題。他會(huì )親自指導我們，哪怕我們問(wèn)的問(wèn)題很幼稚，他也會(huì )鼓勵我們問(wèn)問(wèn)題，看到我們有收獲，他就會(huì )很開(kāi)心?！币幻芯空哒f(shuō)。

約翰·古迪納夫曾說(shuō)，“做一只爬的最久的烏龜，保持學(xué)習保持好奇，即使慢一點(diǎn)，遇到一點(diǎn)困難，只要最后能到達終點(diǎn)，又有什么關(guān)系呢。畢竟人生沒(méi)有白走的路，每一步都算數。如果你不對生活失望，生活也不會(huì )讓你失望?！?/p>

本文作者森寧，來(lái)自澎湃新聞，原文標題：《鋰離子電池之父、諾貝爾化學(xué)獎得主約翰·古迪納夫逝世，享年100歲》

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