「足夠好」老爺爺,2019 年諾獎獲得者John Goodenough,百年大壽!

2020-12-27 Macromolecule

2019年10月9日,瑞典皇家科學院公布了2019年諾貝爾化學獎得主,他們分別是約翰.B.古迪納夫(John B.Goodenough)、M.斯坦利.威廷漢(M.Stanley Whittingham)和吉野彰(Akira Yoshino),以表彰他們在鋰離子電池領域所做出的巨大貢獻。這三位科學家分別來自美國、英國以及日本,在他們三個的共同努力之下,成功的將鋰離子電池推向市場,促進了如今智慧型手機、筆記本電腦、電動汽車等行業的快速發展。

「我們有些人就像是烏龜,走得慢,一路掙扎,到了而立之年還找不到出路。但烏龜知道,他必須走下去。」——John·B·Goodenough

John B.Goodenough,人稱「足夠好」老爺爺,1922年7月25日出生在德國,目前是美國德州大學奧斯汀分校的機械工程、材料科學教授,今天是老爺子98歲壽誕,在這裡,祝賀老爺子生日快樂!

John B.Goodenough出生在德國的一個富足的家庭,在紐哈芬度過童年,他的父親當時擔任大學的歷史助理教授。21歲時,Goodenough被耶魯錄取。剛開始學文,後面學物理學,畢業時獲得數學學士。

二戰期間,在數學教授(導師)的鼓勵下,曾作為「氣象學家」加入美國空軍參加二戰,隨後就被派駐紐芬蘭島,後來又轉駐亞速爾群島,工作是調度大西洋上空的美軍飛機。Goodenough一直在亞速爾群島上待到1946年,1948年退役,並被選為21個「我軍未來優秀學者人才計劃」中的一員。隨後考取芝加哥大學成為物理碩士生,1951年獲得碩士學位,1952年,繼續攻讀博士,他當時的量子力學老師就是大牛Clarence Zener。

芝加哥大學

20世紀中期,物理學大放異彩,當時一名教授告誡他,他的年紀太大,已經過了博取開創性成就的年齡。這話說的沒錯,愛因斯坦26歲提出相對論,波爾28歲提出波爾模型,當時Goodenough已經30歲。並且,物理學的基本理論已經基本完工,後人大多只能做些添磚加瓦的工作,很難開創性的成就。不過此時的Goodenough不再像大學時期搖擺不定,他堅定的選擇了攻讀物理學博士。

他的博士畢業論文是固體物理方面的關於鐵的參雜。在導師的指導下,他的物理基礎格外紮實。

芝大畢業後他進入了MIT的林肯實驗室工作,主要複雜關於固體磁性的研究工作,首次接觸到鋰離子在固體中的遷移。隨後展開固態陶瓷研究,期間發現了鐵氧體磁芯的電流重合記憶功能,Goodenough-Kanamori規律,對計算機發展起到了關鍵作用。他的理論功底深厚,對鈣鈦礦結構氧化物的鐵磁性研究非常深入,他寫的書《Magnetism and the chemical bond 》仍然是這一領域的經典。也是此時,他首次研究電池,不過是燃料電池和鈉硫電池。

1976年他進入第一次「跳槽」,作為一名物理學家進入牛津大學,擔任學校的無機化學實驗室主任。他只上過兩門化學課程,讀本科時期選修學到的無機化學和碩士階段學到的有機化學。但也正是這一次跳槽,讓Goodenough終於在54歲的年紀開始了一項改變世界的研究。

牛津時期的Goodenough

Goodenough在牛津主要研究的課題是可用於能量轉換的新材料。當時他初到英國,英國化學家、和他一起獲得諾獎的Stanley Whittingham發明了最早的可充電鋰電池,藉助鋰能嵌入二硫化鈦層間這一特性,用二硫化鈦做正極,用鋰做負極。

基於他以前對固體氧化物的深入理解和研究,他知道鋰電池的正極材料如果選用氧化物就會很大程度地提高電池的電壓,從而倍增電池可以儲存的能量密度。問題是自然界、人工合成的那麼多氧化物中選那一個呢?

Goodenough的水平就在這裡,他極其精準的選擇了層狀氧化物LiCoO2,這個材料以及這個材料體系中的各種衍生物直到今天仍然是各方面綜合性能最好、應用最廣泛的鋰離子電池正極材料。

現在很熱門的三元正極材料,(比如用於Tesla的新一代汽車電池中的NCA),還是基於LiCoO2體系的參雜(加入Ni,Al,Mn等等)。Goodenough對於LiCoO2的發現,有一點可以說是電池領域內的革命性突破——他從根本上改變了電池的設計思維和邏輯。

因為此前的鋰電池都是設計成一開始就是充滿電的狀態,換句話說就是正極材料不含鋰,負極必須含鋰。所以所有人都用鋰金屬作為負極材料,再用不含鋰的化合物作正極材料。電池生產出來就是「滿電」,也就是現在的一次性鋰電池。但如果用LiCoO2作為正極材料,電池生產出來是「沒有電」的狀態,需要先充了才能用。

在他的實驗室外,英國皇家化學學會樹立了這塊藍色的牌子,紀念LiCoO2的發現。

這一次思路是如此的「不正統」, 並且此前發生過多起鋰電池爆炸事故,大家聞鋰電池色變,甚至牛津都不願意幫忙申請專利,而是讓英國原子能研究機構申請到了這個專利,以至於當時Goodenough在英國、歐洲大陸還有美國竟然找不到一家電池企業願意接收他的這項發明。索尼成功接下了這個「燙手山芋」,並和自己研發的負極材料(石墨)放在一起,創造了新電池,並將之商業化,用在了各種各樣的電子產品中。

新電池不但從原理上解決了鋰金屬的各種致命問題,而且因為不再需要條件苛刻的負極材料製造環境,加之石墨又便宜,從而極大地降低了生產成本,並大幅度地提高了這一新充電電池的各項綜合性能,一躍成為行業老大,並最終成就了鋰離子電池如此廣泛應用的今天。

而Goodenough,甚至沒有從如今這價值350億美元的鋰電池市場中賺到錢。不過他本人後來在接受c&en採訪的時候反而很淡定:「我當時並不知道它會值這麼多錢。」

雖然在57歲才發現了讓他名聲大噪的LiCoO2,但Goodenough似乎就是一個耐久型選手,後來還發現了許多種電池材料:1983年,61歲的他發現錳尖晶石正極材料。錳尖晶石低價、穩定和優良的導電、導鋰性能。其分解溫度高,且氧化性遠低於鈷酸鋰,即使出現短路、過充電,也能夠避免了燃燒、爆炸的危險。截至2013年錳尖晶石用於商業電池。

牛津大學要求65歲強制退休的,但Goodenough不想退休,於是他在64歲的時候又跳槽了。這次,他回到了美國,在德州大學奧斯汀分校當機械工程和材料科學教授,繼續做研究。

1997年,這位75歲的老教授又發現了自LiCoO2之後的又一極其優秀的正極材料體系——即以LiFePO4 (以下稱為LFP)為代表的磷酸鹽體系。LFP在安全性、循環穩定性、壽命、效率、低成本(不含鈷)等方面都比LiCoO2有極大地提高。而且LFP還有真正實現電池快速充放電的潛力。自LFP被報導之後,此類材料就成為學術界、工業界追捧的對象,甚至A123 公司靠賣LFP發家。

直到現在,他還在科研一線繼續解決「問題」。

2018年,Goodenough接受媒體採訪時也談到了自己的問題,他說:我想解決汽車的問題,我想讓汽車尾氣從全世界的高速公路上消失。我希望死前能看到這一天,我今年 96 歲,還有時間。

解決問題並不僅僅只是靠口號。Goodenough仍舊活躍在科研前線,他和自己的團隊還發現了一種用於鈉離子電池的新型安全正極材料。

並仍舊有作品發表,比如這篇:

他所發的文章並沒有那麼高大上,LiCoO2發在Mater. Res. Bull. 上,這個期刊到現在的影響因子也只有二點多。1997年的LFP也只是發在, J. Electrochem. Soc., 上,這個期刊的影響因子以前只有二點幾。這和很多動輒在高IF文章上灌水,但沒有什麼實際應用的「大牛」們對比鮮明。

他還在2019的採訪中說:我不想退休等死,我想努力奮鬥,我相信我們正在做的事情是非常重要的。

這些重要的事情有很多,比如他嘗試用自然界中存量更多的鈉代替鋰作為電池材料,以降低電池的成本。再比如,如何用金屬鋰做正極,製造出更強大的電池。還有電解質方面Goodenough也在嘗試用玻璃固態電解質做出更安全的電池。

據說,「足夠好」老爺爺現在依舊精力充沛,有人說,整個走廊都能聽到他爽朗的笑聲。

老先生一生跨越文科、數學、飛機調度、固體物理、電子、磁性、化學、材料等眾多領域,能在50歲、甚至70歲之後還可以做出改變世界的重大科研成果,這種例子縱觀歷史也沒幾個。

Goodenough教授今年已經98歲高齡,衷心祝福。

足夠好,會更好。

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