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人類電化學研究領域失去了一位巨人。

(資料圖片)

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。”

54歲開始的鋰想人生，相繼發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。

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，古迪納夫便轉修數學。1944年，古迪納夫從耶魯大學數學系畢業。

二戰爆發后，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據。其間，他閱讀了阿爾弗雷德·諾斯·懷特海德的著作《科學與現代世界》，該書分析了科學發現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。”

古迪納夫沒有退縮，他的導師、大名鼎鼎的穩級二極管發明者齊納（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。”

30歲，古迪納夫拿到了芝加哥大學固態物理學博士的學位。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 規則，發現了材料中磁體交換的規律，為后來數字計算機的隨機存取存儲器(RAM)的開發奠定了基礎。

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現了另一種更為穩定和便宜的材料——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，繼續鋰電池研究。

1997年，75歲的古迪納夫發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，在宇宙大爆炸發生的頭幾分鐘產生。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，人類發現了鋰的存在。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，以免與空氣發生反應。

在鋰電池發明之前，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了第一種有商業價值的鋰離子電池。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，從而引發了電子行業的一場革命。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，產量不高。二是使用一段時間后，性能會衰減。

在發明鈷酸鋰材料后，古迪納夫和他的研究小組又發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、穩定、優良導電導鋰性能，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現，磷酸鐵鋰晶體結構更穩定、壽命更長、充電更快。雖然它的能量性能略低于鈷酸鋰，但磷酸鐵鋰表現出一些典型的優越優勢，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汽車、大型電網儲能系統、太陽能裝置等。

在鋰電池發展史上，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鋰金屬電池就是那個超級電池。當時，他的團隊已經開發出幾種技術來實現固態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goodenough（足夠好了）。”

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。”

“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。”一名研究者說。

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。如果你不對生活失望，生活也不會讓你失望。”

來源：澎湃新聞

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