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來源:澎湃新聞
人類電化學研究領域失去了一位巨人。
(相關資料圖)
2023年6月26日,諾貝爾化學獎得主,美國得州大學奧斯汀分校機械工程系教授、固體物理學家,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歲生日僅有一個月。
這一消息由古迪納夫在得州大學的學生在推特上確認。
2019年10月9日,2019年諾貝爾化學獎頒給了約翰·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線電子產(chǎn)品(如手機與筆記本電腦)的基礎。它還給了人類進入一個無化石燃料世界的可能性,因為它能用于方方面面,從給電動汽車供電到從可再生能源中儲存能量。
獲得諾獎時,約翰·古迪納夫已滿97歲,他也成為獲獎時年齡最大的諾貝爾獎得主。獲獎時的古迪納夫就職于美國得州大學奧斯汀分校,任該校機械工程和材料科學教授,繼續(xù)從事能源方面的研究。他曾稱:“我想在去世前解決(能源)這個問題,我才90多歲,還有時間?!?/p>
54歲開始的鋰想人生,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校(Groton School)畢業(yè)。
1940 年,古迪納夫進入耶魯大學攻讀學士學位。因為跟家中關系不好,父親只給了35美元,而當時耶魯大學的學費一年是900美元,古迪納夫靠獎學金和當家教繳納了學費。
大學期間,他先是學習古典文學,隨后又轉而攻讀哲學。后來有數(shù)學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(shù)學。1944年,古迪納夫從耶魯大學數(shù)學系畢業(yè)。
二戰(zhàn)爆發(fā)后,古迪納夫報名參加了美國空軍,但并沒有成為一名飛行員,而是被派到太平洋一個小島上去搜集氣象數(shù)據(jù)。其間,他閱讀了阿爾弗雷德·諾斯·懷特海德的著作《科學與現(xiàn)代世界》,該書分析了科學發(fā)現(xiàn)對不同歷史時期的影響。
古迪納夫在自傳中寫道,“我只是覺得我應該做的是科學。盡管我還沒有一個清晰的規(guī)劃,但是我知道,如若我有機會,我會去學習物理。”
兩年后,古迪納夫獲得芝加哥大學進修物理的機會,但當時有學校教授勸退,“在你這個年紀,那些物理學巨匠們早就榮譽等身了?!?/p>
古迪納夫沒有退縮,他的導師、大名鼎鼎的穩(wěn)級二極管發(fā)明者齊納(Clarence Zener)對他說:“人的一生只有兩個問題:第一問題,是找到一個問題,第二個問題,是把它解決掉?!?/p>
30歲,古迪納夫拿到了芝加哥大學固態(tài)物理學博士的學位。他在麻省理工學院的林肯實驗室工作了許多年。在那里,他與Junjiro Kanamori 合作制定了 Goodenough -Kanamori 規(guī)則,發(fā)現(xiàn)了材料中磁體交換的規(guī)律,為后來數(shù)字計算機的隨機存取存儲器(RAM)的開發(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。
福特公司的鈉硫電池原型
1976年,古迪納夫54歲,來到人生一個重大的轉折點,他獲得了一個英國牛津大學無機化學教授職位,正式進入能源領域。
57歲時,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(xiàn)了另一種更為穩(wěn)定和便宜的材料——錳酸鋰。由于牛津大學有65歲強制退休的規(guī)定,但古迪納夫不甘心,于是加入了美國得克薩斯大學奧斯汀分校,成為該校機械工程和材料科學教授,繼續(xù)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,人類發(fā)現(xiàn)了鋰的存在。貝采利烏斯用希臘文中的“石頭”(lithos)來給這個新元素命名。
名字聽上去很重,但鋰實際是最輕的固體元素,外電子層只有一個,這個電子很容易脫離鋰,加入另一個原子,當這種情況發(fā)生,就形成了帶有正電荷并且更穩(wěn)定的鋰離子。鋰的高反應性——是它的優(yōu)點,又是缺點。由于性質太活潑,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,當它們與電解液發(fā)生化學反應時會分解,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,但該電池的電化學反應使它容易爆炸,還會在反復的充放電過程中逐漸衰減。爆炸的主要原因是循環(huán)過程中形成的樹枝狀鋰會刺穿兩個電極之間的隔膜,導致電池內部短路,整個電池會劇烈升溫而爆炸。
古迪納夫對如何解決電池安全問題進行了深入分析,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)生電池電動勢需要在電池內部保持一定量的離子運動,然而,Li+的過度提取會導致電極材料層狀結構的崩潰,這是必須解決的問題。
經(jīng)過四年的研究,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,日本學者吉野彰開發(fā)了第一種有商業(yè)價值的鋰離子電池。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,日本索尼公司開始銷售第一塊鋰離子電池,從而引發(fā)了電子行業(yè)的一場革命。移動電話更為小巧, MP3播放器和平板電腦也隨之被研發(fā)出來。
然而,鈷酸鋰材料雖然提高了電池安全性,但也有不足之處,一是價格貴,產(chǎn)量不高。二是使用一段時間后,性能會衰減。
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(xiàn)了另一種更為穩(wěn)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、穩(wěn)定、優(yōu)良導電導鋰性能,即便出現(xiàn)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(xiàn),磷酸鐵鋰晶體結構更穩(wěn)定、壽命更長、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(xiàn)出一些典型的優(yōu)越優(yōu)勢,例如高穩(wěn)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汽車、大型電網(wǎng)儲能系統(tǒng)、太陽能裝置等。
在鋰電池發(fā)展史上,鋰枝晶問題從未得到根本解決,安全隱患依然存在。在90 歲的時候,古迪納夫認為世界需要一個“超級電池”,并預測最先進的固態(tài)鋰金屬電池就是那個超級電池。當時,他的團隊已經(jīng)開發(fā)出幾種技術來實現(xiàn)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,有人問他沒有拿到諾獎會不會遺憾,他說:“無所謂,我已經(jīng)goodenough(足夠好了)?!?/p>
在以97歲的高齡獲得諾獎后,約翰·古迪納夫教授實驗室工作的一位中國研究者在接受媒體采訪時表示,“教授每天都來辦公室工作,和大家一起討論實驗進展,每天我們整層樓都能聽到他爽朗的笑聲。雖然已經(jīng)97歲,但他每周也有50個小時的工作量,周末在家也同樣工作?!?/p>
“他辦公室的門白天都開著,我們可以隨時找他討論問題。他會親自指導我們,哪怕我們問的問題很幼稚,他也會鼓勵我們問問題,看到我們有收獲,他就會很開心?!币幻芯空哒f。
約翰·古迪納夫曾說,“做一只爬的最久的烏龜,保持學習保持好奇,即使慢一點,遇到一點困難,只要最后能到達終點,又有什么關系呢。畢竟人生沒有白走的路,每一步都算數(shù)。如果你不對生活失望,生活也不會讓你失望。”
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來源:澎湃新聞人類電化學研究領域失去了一位巨人。2023年6月26日,諾
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