当地时间6月25日,2019年诺贝尔化学奖得主、被誉为锂电池之父的约翰·古迪纳夫(JohnB.Goodenough)去世,享年100岁,距离他101岁只差1个月。
古迪纳夫教授生平最大的贡献便是开发了锂离子可充电电池,为表彰他的功绩,瑞典皇家科学院宣布将2019年诺贝尔化学奖授予他和另外两位学者。
获奖时,古迪纳夫教授已经是97岁高龄,因此也成为诺贝尔奖历代得主中年纪最大的一位。在获得了诺贝尔奖之后,古迪纳夫也仍然奋斗在研发一线,致力于固态电池的开发。
古迪纳夫教授为人类社会持续健康发展作出的贡献同样不可忽视,先后发现了钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂正极材料。
可以说,没有他就没有锂电池,也就没有之后的手机和电脑,更没有如今蒸蒸日上的电动汽车。
而目前新能源汽车行业的发展仍在继续,古迪纳夫教授虽然离开了,其留下的火种仍然将会继续燃烧。
古迪纳夫教授生平最大的贡献便是开发了锂离子可充电电池,同时还发现了用于确定超交换(superexchange)材料磁性符号的古迪纳夫—金森法则,因此被广泛称为锂电池之父。
而在三位获奖的科学家中,最引人瞩目的就是被称为“锂电池之父”的古迪纳夫。可以说,没有他就没有锂电池,也就没有之后的手机和电脑,更没有如今蒸蒸日上的电动汽车。
锂电池基于锂离子在阳极和阴极之间流动来产生电流,时任纽约州立大学宾汉姆顿分校教授的威廷汉曾将二硫化钛用锂电池阴极材料,该材料在分子水平上具有可以容纳(嵌入)锂离子的空间。
而时任美国德克萨斯大学奥斯汀分校教授的古迪纳夫则预测,若使用金属氧化物而不是金属硫化物作为阴极材料,那么锂电池将具有更大的潜力。他在1980年证明了嵌入锂离子的氧化钴可以产生多达4伏的电压,由此为制造更强大的电池奠定了技术基础,成为锂电池历史上的重大技术突破。
1985年,日本化学家、现任名城大学教授吉野彰在古迪纳夫锂电池阴极的基础上,推出了首个可商用的锂离子电池,此外,在阳极材料方面吉野彰没用反应性锂,而是采用了石油焦炭作为材料。
正是因为古迪纳夫在锂电池领域的这种贡献,古迪纳夫也被选为美国国家工程院、美国国家科学院、法国科学院、西班牙皇家学会和英国皇家学会院士,在学术界声名显赫。
值得注意的是,古迪纳夫彼时虽然已经是97岁高龄,但仍然活跃在学术一线,他天天都会去自己所在的美国德克萨斯大学奥斯汀分校实验室工作,当时还在致力于研究电池领域最前沿的固态电池技术,并且希望彻底改变电动汽车的使用前景。
2017年夏天,古迪纳夫就与几位专家一道在《能源与环境科学》期刊上发布论文,宣布其已经研发出了具备高单位体积内的包含的能量、快充和长寿命的全固态电池原型。
古迪纳夫团队表示,这一固态电池的单位体积内的包含的能量至少是传统锂电池单位体积内的包含的能量的三倍,同时还具备充放电寿命长、充电速度快的特性。按照德州大学奥斯汀分校官网的说法,其充电速度是按照分钟而不是传统锂电池的小时来计算。
据了解,传统锂电池阴极和阳极之间使用的是液态电解质,锂离子在其中穿梭以存储或释放电量。如果电池充电过快,电池中会形成枝晶(金属晶须),穿过电解质造成短路,进而引发火灾或者爆炸。
在研究中,古迪纳夫团队用一种玻璃电解质代替了传统的液态电解质。这种电解质能够正常的使用碱金属作为电极,并且不会出现枝晶的情况。
正是有了碱金属作为电极(传统电池没办法使用),不仅提升了固态电池阴极的单位体积内的包含的能量,还将其充放电寿命延长到了1200多次。
更重要的是,由于这个玻璃电解质在零下20度的环境下仍然具有较高的导电性能,因此搭载这一电解质的固态电池可以让电动汽车在零度以下的环境下仍然能正常工作,最低可达零下60度。
而搭载普通液态电解质的锂电池,在极低温环境下,充放电性能会大幅缩减。要想保持良好的性能,一定要使用额外的液态温度控制管理系统对其进行加热。
需要指出的是,古迪纳夫尤其重视该技术在电动汽车领域的应用。在发表论文时他明确讲道,“成本、安全性、单位体积内的包含的能量、充放电速率、循环寿命等参数,对于电动汽车的普及至关重要。我相信我们的发现,将解决现有电池的很多问题。”
除了获得诺奖外,Goodenough老爷子的人生经历也十分“硬核”:从古典文学到电化学;从二战老兵到诺奖得主;从大龄博士到锂电之父…
古迪纳夫,1922年7月25日出生于美国,在家排行老二,他上边有一个哥哥,父亲欧文是耶鲁大学的教授。有人说,天才的童年要么有一个哥哥,要么有一条狗相伴。古迪纳夫也不例外。童年的时候,因为父母常闹离婚,再加上年长的哥哥忙于自己的事业,古迪纳夫常常离群索居,他唯一的玩伴就是一条叫做Mack的狗。
儿时的古迪纳夫,学业并不顺利。小古迪纳夫患有先天性读写困难症,他的学习成绩总是差强人意。他喜欢在大自然中游荡,探索森林的奥秘,抓蝴蝶和土拨鼠。正是与大自然亲密接触的过程培养了他热爱自然,渴望探索自然,发现其中奥秘的情怀。
古迪纳夫小时候缺少母爱,所以他决心在学业上有所作为。但是父母却在他高考前夕离婚了,父亲娶了自己的研究助手,这对忙于高考的古迪纳夫来说是个不小的打击,也产生了不小的心理影响。而古迪纳夫并没有气馁,他终夜与孤灯相伴,克服了这些障碍,考入了耶鲁大学。然而父亲只给了他35美元,那时耶鲁大学每年的学费大概是900美元,不够的部分古迪纳夫还要去做兼职来支付学费,养活自己。
短短四年,古迪纳夫换了四五个专业方向,这让他在每个专业学习上都不够深入。不过,也正是这一“丰富”的学习经历,为他日后的科研生涯做了铺垫。
1943年,大学毕业的他正发愁毕业后应该做什么,二战爆发了。于是他报上自己的姓名去参加了美国空军,但是他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。
战后,古迪纳夫所在的部队驻扎在葡萄牙,这样一个时间段他已经是一名陆军上尉。他回忆说:“不久,幸运之神来敲门了,一份电报过来,要求我48小时内回到华盛顿报道。”原来政府有一笔没花完的钱,要送21名军人去念研究生,这一消息使得古迪纳夫欣喜若狂。
他带着科研梦想到芝加哥大学进修物理,教授有点瞧不上这个半路出家的大龄青年:“在你这个年纪,那些物理学巨匠们早就荣誉等身了。”意思是,你这么大年纪了,还是别折腾了。
的确如此,爱因斯坦26岁提出了相对论,爱迪生32岁发明了白炽灯,居里夫人36岁已经拿到了诺贝尔奖,连中国作家张爱玲都说过“出名要趁早”。
但古迪纳夫没有退缩,他的导师,大名鼎鼎的稳压二极管发明者齐纳对他说:“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,是把他解决掉。”
30岁,古迪纳夫拿到了芝加哥大学物理学博士的学位。古迪纳夫来到了刚成立了一年的麻省理工学院林肯实验室,第一次接触到了锂离子在固体中的迁移,后来又开始了固态陶瓷的基础研究。因为有军方的预算支撑,他一待就是24年,提出了古迪纳夫—金森法则,为日后随机存储器的诞生奠定了重要基础。
已经年近半百,本来以为一生就能这么平淡地过下去,但下一个挑战还在等着他。
在离开美国林肯实验室后,古德纳夫进入牛津大学化学系无机化学实验室。彼时,20世纪70年代的石油危机催生了对新能源储能的需求,电池研发形成热潮,以金属锂作为部分正极材料制造成新型电池也是一大趋势。但由于金属锂化学特性过于活泼,这种电池具有易爆炸的潜在危险。
面对这样的一种情况,古德纳夫有自信可以发明出一款更加完美的锂电池,于是他决定研究怎么样用新的电极材料避免锂电池的爆炸,并存储更多的电能。
有了这样的想法后,古德纳夫立即行动了起来。经过4年的时间,他们将钴酸锂作为电池的阴极,将除锂之外的金属材料作为正极,发现可以在一定程度上完成高密度的能量储存。这一发现为锂离子电池的发展铺平了道路,促成了可充电锂离子电池的广泛应用。
同一时间,日本索尼的化学家研发出了锂电池可用的石墨负极材料,但是却没有合适的正极材料与之进行匹配。而古德纳夫的钴酸锂阴极正是他们迫切在找的正极材料。
1991年,索尼将钴酸锂和石墨结合,开发出了全新的可充电锂电池。这种锂电池一经问世,立刻受到市场欢迎,古德纳夫因此驰名遐迩。
然而古迪纳夫的脚步并没有就此停止,因为钴酸锂也有自己的缺点——价格昂贵。
1997年,古迪纳夫又拿出了一项震惊世界的锂电池材料——磷酸铁锂。这种电池材料的问世,让电子科技类产品的生产所带来的成本降低,从而具备了大规模普及的基础。
2017年2月28日,古迪纳夫和他在得克萨斯大学的团队在《能源与环境科学》杂志上发表了一篇关于玻璃电池的论文,这是一种低成本的全固态电池,不燃,循环寿命长,体积单位体积内的包含的能量高,充放电速度快。该电池使用玻璃电解质,而不是液体电解质,可以在不形成枝晶的情况下使用碱金属阳极。
然而,这篇论文遭到了电池研究界的广泛质疑,在几项后续工作之后任旧存在争议。这项工作被批评为缺乏全面的数据,对所获得的数据的虚假解释,以及所提出的电池运行机制将违反热力学第一定律。
而在2020年4月,古迪纳夫代表葡萄牙国家能源与地质实验室、葡萄牙波尔图大学和得克萨斯大学为玻璃电池申请了专利。
即使在97岁高龄获得诺贝尔奖之后,古迪纳夫仍然希望能研发出高单位体积内的包含的能量、高安全性的固态电池,从而解决人类潜在的能源危机。