锂离子电池之父、诺贝尔化学奖得主约翰·古迪纳夫逝世，享年100岁

龙听

人类电化学研究领域失去了一位巨人。1 P) Q" D5 z, w
  O1 |% d0 W$ x' J
2023年6月26日，诺贝尔化学奖得主，美国得州大学奥斯汀分校机械工程系教授、固体物理学家，钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂正极材料的发明人，锂离子电池的奠基人之一约翰·B·古迪纳夫（John B. Goodenough）去世，距离其101岁生日仅有一个月。7 [6 N% O1 r  _3 g! s9 c4 w( J
( d( c+ Z" S- o
这一消息由古迪纳夫在得州大学的学生在推特上确认。6 \( A! Y% Y/ m5 X: v

$ W  ]3 n7 p: O2019年10月9日，2019年诺贝尔化学奖颁给了约翰·B·古迪纳夫（John B. Goodenough）、M·斯坦利·威廷汉（M. Stanley Whittingham）、吉野彰（Akira Yoshino），以表彰他们对发明锂离子电池做出的贡献。4 V, z' j% o1 t

) v2 D* v9 d5 h& U
' h/ h& Z/ @2 z$ s$ j* _这种可充电电池奠定了无线电子产品（如手机与笔记本电脑）的基础。它还给了人类进入一个无化石燃料世界的可能性，因为它能用于方方面面，从给电动汽车供电到从可再生能源中储存能量。) V5 M# e# ?8 V% z
' Z6 \& p7 y" r5 y) ]' S8 h
获得诺奖时，约翰·古迪纳夫已满97岁，他也成为获奖时年龄最大的诺贝尔奖得主。获奖时的古迪纳夫就职于美国得州大学奥斯汀分校，任该校机械工程和材料科学教授，继续从事能源方面的研究。他曾称：“我想在去世前解决（能源）这个问题，我才90多岁，还有时间。”" p: ]7 V# P2 c8 t6 ]

5 D* Z) N$ O7 ?4 `* x) D$ v2 S* h7 R# U5 H. n+ R
54岁开始的锂想人生，相继发明三种锂电池正极材料. `; E( U2 Z, k1 ^+ I, K( M' x+ U

8 P$ M) R7 s; m1 u" H  t! l1922年7月25日，约翰·古迪纳夫出生在德国耶拿市。儿时的古迪纳夫患有阅读障碍，但他克服种种障碍，最终从马萨诸塞州的一所私立寄宿学校（Groton School）毕业。& g" M  o1 S) u8 u) J# o. ]' n
4 l& ], n. W; J& G% H8 X
1940 年，古迪纳夫进入耶鲁大学攻读学士学位。因为跟家中关系不好，父亲只给了35美元，而当时耶鲁大学的学费一年是900美元，古迪纳夫靠奖学金和当家教缴纳了学费。4 a( i6 R( S! A, b1 ?. D9 _
9 Q5 @7 `0 g1 X. `+ ^, ]
3 O4 j) |" j3 m' }/ s% C  d
大学期间，他先是学习古典文学，随后又转而攻读哲学。后来有数学教授认为他颇具天赋，又考虑到自己阅读上的困难，古迪纳夫便转修数学。1944年，古迪纳夫从耶鲁大学数学系毕业。
1 ~* U  a. V5 t* q+ {% `7 C9 z5 h' i9 Z
二战爆发后，古迪纳夫报名参加了美国空军，但并没有成为一名飞行员，而是被派到太平洋一个小岛上去搜集气象数据。其间，他阅读了阿尔弗雷德·诺斯·怀特海德的著作《科学与现代世界》，该书分析了科学发现对不同历史时期的影响。0 ]' z* u% C4 H# T8 B* h3 \: Q

; z* c! I- ^% `. `( b古迪纳夫在自传中写道，“我只是觉得我应该做的是科学。尽管我还没有一个清晰的规划，但是我知道，如若我有机会，我会去学习物理。”5 A: e& C) k( L* s) B$ ~
; c4 y4 L) S0 I) E; m/ k5 l9 x8 V
两年后，古迪纳夫获得芝加哥大学进修物理的机会，但当时有学校教授劝退，“在你这个年纪，那些物理学巨匠们早就荣誉等身了。”! c5 J  X8 C) p$ o

2 e' g3 k+ s7 x, D6 m古迪纳夫没有退缩，他的导师、大名鼎鼎的稳级二极管发明者齐纳（Clarence Zener）对他说：“人的一生只有两个问题：第一问题，是找到一个问题，第二个问题，是把它解决掉。”$ o4 [6 b! G3 B7 C# |# c

6 `  Q2 a7 l& k" [" L; ?& ^+ B30岁，古迪纳夫拿到了芝加哥大学固态物理学博士的学位。他在麻省理工学院的林肯实验室工作了许多年。在那里，他与Junjiro Kanamori 合作制定了 Goodenough -Kanamori 规则，发现了材料中磁体交换的规律，为后来数字计算机的随机存取存储器(RAM)的开发奠定了基础。  \" e- ]' y5 w! l& K

7 W( X: y4 d' O上世纪七十年代，古迪纳夫受石油危机影响，想要致力于发展石油之外的其他能源。1967年，古迪纳夫应邀负责福特公司的钠硫电池项目，这也是他首次接触到电池和电化学。
: j( `5 F* n3 O& ?3 y* E  s' \' l7 Q/ U

! G3 z& b1 z( _0 z0 O福特公司的钠硫电池原型
6 ]. {# C& T3 P3 \0 N. m" T( T; v8 \2 ~. ~! W; ?# U
1976年，古迪纳夫54岁，来到人生一个重大的转折点，他获得了一个英国牛津大学无机化学教授职位，正式进入能源领域。: T3 u9 Y3 c- z+ Z6 V
9 p4 ~% y: F9 l1 Z& P* q+ k, U1 u
57岁时，古迪纳夫发明了钴酸锂材料作为锂电池的正极材料，1984年，61岁的古迪纳夫和他的研究小组又发现了另一种更为稳定和便宜的材料——锰酸锂。由于牛津大学有65岁强制退休的规定，但古迪纳夫不甘心，于是加入了美国得克萨斯大学奥斯汀分校，成为该校机械工程和材料科学教授，继续锂电池研究。/ B5 u0 W' T) q: R$ A3 g' c  E
. d; a! y# M: x2 r8 M2 U# J* ]
1997年，75岁的古迪纳夫发明了磷酸铁锂正极材料，这种材料比之前的钴酸锂更便宜也更安全，这项发明催生了“可携带便携电子设备”的诞生。
% ^" ^/ v" x" z% ^4 y6 D8 y$ D4 \
- S& s+ T4 g& u" V
. V0 J, Q, P! E6 m8 e2 g古迪纳夫和锂离子电池
- N  i4 _( `' K' T7 d) |& T/ R7 W. o- T, _9 U( [3 n
“如果你不对生活失望，生活也不会让你失望”$ `+ @4 Z, S% v+ E
9 c8 M! m# q' K8 j
锂是一种古老的元素，在宇宙大爆炸发生的头几分钟产生。1817年，瑞典化学家约翰·奥古斯特·阿尔弗德森（Johan August Arfwedson）与永斯·雅各布·贝采利乌斯（Jöns Jacob Berzelius）从斯德哥尔摩群岛上的外岛（Utö）矿山矿物样品中纯化出了锂，从此，人类发现了锂的存在。贝采利乌斯用希腊文中的“石头”（lithos）来给这个新元素命名。6 C0 W+ ^8 k. q; r6 |- [' }

( T( n* @  |/ o4 i. W( y9 A名字听上去很重，但锂实际是最轻的固体元素，外电子层只有一个，这个电子很容易脱离锂，加入另一个原子，当这种情况发生，就形成了带有正电荷并且更稳定的锂离子。锂的高反应性——是它的优点，又是缺点。由于性质太活泼，锂必须要储存在油中，以免与空气发生反应。; d( b; L$ c# a  X% A# W* r2 {( y4 m

7 @$ q# w+ N9 f9 y. M8 z7 U7 V5 _! E1 ]& W/ G' h/ [
在锂电池发明之前，最初的可充电电池的电极中含有固体物质，当它们与电解液发生化学反应时会分解，从而毁坏电池。  m/ }2 e$ p) x8 D
" J. H% W4 a2 y5 d
上世纪70年代，在石油危机期间，英籍化学家斯坦利⋅威廷汉（Stan Whittingham）起草了锂电池的初步方案，以硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成了一个可以充放电的电池。( I! O. C3 h& ^3 Y
1 ^$ G+ ?$ Q8 _. H
斯坦利⋅威廷汉所设计的电池显示出的电压为 2 V，但该电池的电化学反应使它容易爆炸，还会在反复的充放电过程中逐渐衰减。爆炸的主要原因是循环过程中形成的树枝状锂会刺穿两个电极之间的隔膜，导致电池内部短路，整个电池会剧烈升温而爆炸。" Y/ O0 [, s3 }8 f: P4 f/ v8 s
7 [6 \* v6 P; v/ }2 ^; G8 `
/ ?# t8 T; \( K4 `
古迪纳夫对如何解决电池安全问题进行了深入分析，认为含有锂的层状金属氧化物将是理想的锂电池正极，产生电池电动势需要在电池内部保持一定量的离子运动，然而，Li+的过度提取会导致电极材料层状结构的崩溃，这是必须解决的问题。! {2 R9 d% w% S: |# r% k' Z
% a. w  Y! x5 o( j- Y: _
经过四年的研究，古迪纳夫和他的团队首先提出了“用于存储电池电极的固溶氧化物”，他们于1980 年开发出了锂离子可充电电池的首选正极材料钴酸锂（LixCoO2）。这是一种比金属锂更为温和且能够提升电池储存电量的材料，可以可逆地释放一半以上的 Li+ 离子。钴酸锂制成的电池显示出大约4 V的高电压，这一突破从根本上改变了可充电电池的设计原理。
' h- e8 N4 y( e& \& ?* I( G
& W9 d8 H3 x# K, G7 m# L: U+ S' K5 _/ Q2 E! ~
在其之后，日本学者吉野彰开发了第一种有商业价值的锂离子电池。他在电池的正极使用古迪纳夫的钴酸锂，负极使用一种碳材料——石油焦，后者也可以嵌入锂离子。- ]# |* ?7 o  Q

* d  j! a: T) Q1991年，日本索尼公司开始销售第一块锂离子电池，从而引发了电子行业的一场革命。移动电话更为小巧， MP3播放器和平板电脑也随之被研发出来。
8 |' B; E3 m0 c& }$ T7 T
0 Z# H. |  N  n& f% d$ m: ?然而，钴酸锂材料虽然提高了电池安全性，但也有不足之处，一是价格贵，产量不高。二是使用一段时间后，性能会衰减。+ u4 M. R/ ?8 B
& S" L4 l- v) Y, P2 Q! x8 B
在发明钴酸锂材料后，古迪纳夫和他的研究小组又发现了另一种更为稳定和便宜的材料——锰酸锂。这种材料的氧化性远低于钴酸锂，具有低价、稳定、优良导电导锂性能，即便出现短路的情况，也能避免燃烧爆炸的危险，安全性能大大提高。. P' z5 R  P4 J- A6 D8 x/ @, y

; E9 s( b3 A# p* C9 E& k3 n  X1997年，古迪纳夫和团队又发现，磷酸铁锂晶体结构更稳定、寿命更长、充电更快。虽然它的能量性能略低于钴酸锂，但磷酸铁锂表现出一些典型的优越优势，例如高稳定性，成本低，工作温度范围广。如今，基于磷酸铁锂的可充电电池广泛应用于电动汽车、大型电网储能系统、太阳能装置等。
) F0 t/ c# t* ~& l+ h. T; D  [' Q* i* ?- C& C8 f8 d8 L) E2 N
在锂电池发展史上，锂枝晶问题从未得到根本解决，安全隐患依然存在。在90 岁的时候，古迪纳夫认为世界需要一个“超级电池”，并预测最先进的固态锂金属电池就是那个超级电池。当时，他的团队已经开发出几种技术来实现固态锂金属电池的超低界面电阻。此外，古迪纳夫及其团队还对其他储能设备如液态钠钾电池和钠离子电池等均做出了重要贡献。5 I. F! h9 `$ U3 d! v! v
" v6 {5 j5 D1 G9 T: p! e" |4 L# _
2017年，古迪纳夫95岁时，有人问他没有拿到诺奖会不会遗憾，他说：“无所谓，我已经goodenough（足够好了）。”
8 d: d- _6 D& e1 M' m4 j. ^6 i% d
& K* C" E9 X  }在以97岁的高龄获得诺奖后，约翰·古迪纳夫教授实验室工作的一位中国研究者在接受媒体采访时表示，“教授每天都来办公室工作，和大家一起讨论实验进展，每天我们整层楼都能听到他爽朗的笑声。虽然已经97岁，但他每周也有50个小时的工作量，周末在家也同样工作。”' y2 W: L0 |0 d/ }
& A  l7 R6 s# e. c
“他办公室的门白天都开着，我们可以随时找他讨论问题。他会亲自指导我们，哪怕我们问的问题很幼稚，他也会鼓励我们问问题，看到我们有收获，他就会很开心。”一名研究者说。
: b0 i0 V; S6 S
% [  s5 a" s6 I3 i5 G约翰·古迪纳夫曾说，“做一只爬的最久的乌龟，保持学习保持好奇，即使慢一点，遇到一点困难，只要最后能到达终点，又有什么关系呢。毕竟人生没有白走的路，每一步都算数。如果你不对生活失望，生活也不会让你失望。”