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当前看点!锂电池之父古迪纳夫教授去世，曾获2019年诺贝尔化学奖，最新成果是固态电池
2023-06-26
车东西6月26日消息，今天上午，锂离子电池共同发明者、2019年诺贝尔化学奖的共同获得者约翰·班尼斯特·古迪纳夫教授（Prof. John Bannister Goodenough）在美国去世，距离101岁只差一个月。
▲约翰·班尼斯特·古迪纳夫教授
(相关资料图)
古迪纳夫教授是美国材料科学家、固态物理学家和诺贝尔化学奖获得者，生前曾在麻省理工学院林肯实验室工作24年，并担任牛津大学终身教授、德克萨斯大学奥斯汀分校的机械、材料科学和电气工程教授。
古迪纳夫教授被广泛认为是锂离子电池之父，他发现了古迪纳夫—金森法则，这项法则可被用于确定超交换材料磁性符号，此外，他在计算机随机存取存储器方面也取得了开创性发展。
一、古迪纳夫去世 距101岁仅1个月
据外媒business line报道，锂电池之父、2019年诺贝尔化学奖得主古迪纳夫教授刚刚去世，距离101岁只差1个月。
目前，古迪纳夫教授的去世消息已被他的学生尼古拉斯·格伦迪什（Nicholas Grundish）证实。
二、锂电池之父 年龄最大的诺奖得主
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。
2019年10月9日，瑞典皇家科学院宣布将2019年诺贝尔化学奖授予约翰·B·古迪纳夫(John B. Goodenough)、斯坦利·威廷汉（M. Stanley Whittingham） 和吉野彰(Akira Yoshino)三人，以表彰他们在开发锂离子电池方面作出的杰出贡献。
▲古迪纳夫获得2019年诺贝尔化学奖
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，更没有如今蓬勃发展的电动汽车。
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，如果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有使用反应性锂，而是采用了石油焦炭作为材料。
如果用学术化的方式来讲，那就是古迪纳夫开发了锂离子可充电电池。
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。
▲2013年2月，奥巴马在白宫向约翰·古迪纳夫颁发国家科学奖章。
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，他每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能量密度、快速充电和长寿命的全固态电池原型。
古迪纳夫团队表示，这一固态电池的能量密度至少是传统锂电池能量密度的三倍，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。
▲德克萨斯大学奥斯汀分校官网报道宣布古迪纳夫团队研发出全固态电解质锂电池
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。这种电解质可以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（传统电池无法使用），不仅提升了固态电池阴极的能量密度，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，必须使用额外的液态温度控制系统对其进行加热。
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、能量密度、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。”
值得指出的是，1901至2022年间，诺贝尔化学奖共颁布了114次，共有190位诺贝尔化学奖获得者，在这190位获奖者中，古迪纳夫是获奖年龄最高的记录保持者。
三、献身科学 力促电池技术发展
1922年7月25日，约翰·古迪纳夫出生于德国耶拿，他的父母是美国人。约翰出生时，他的父亲正在哈佛神学院攻读博士学位，后来成为耶鲁大学宗教史教授。约翰的哥哥，已故的Ward Goodenough，是宾夕法尼亚大学的人类学家。此外，他还有一个同父异母的妹妹Ursula Goodenough，她是圣 路易斯（ 参数丨 图片）华盛顿大学生物学荣誉退休教授。
1940年，古迪纳夫从马萨诸塞州格罗顿的寄宿高中毕业。有意思的是，刚上大学时，约翰的专业是古典文学，属于纯文科专业，随后他对哲学产生了兴趣，于是转到哲学专业，为了凑学分，他选修了两门化学课程，后来，他遇到数学教授迈尔斯，认为他非常适合学习数学，约翰于是转向了数学的“怀抱”，1944年，古迪纳夫在耶鲁大学获得数学系学士学位。
在第二次世界大战中，古迪纳夫作为气象兵在美国陆军服役，二战之后，古迪纳夫前往芝加哥大学完成了硕士学位。1952年，古迪纳夫获得物理学博士学位，他的博士生导师是电气故障理论学家Clarence Zener，博士期间，他与包括Enrico Fermi 和John A. Simpson在内的物理学家一起工作和学习。在芝加哥时，他还认识了历史研究生艾琳·怀斯曼并与之结婚。
学业结束后，古迪纳夫在麻省理工学院林肯实验室担任了24年的研究科学家和团队负责人。在此期间，他是一个跨学科团队的成员，负责开发随机存取磁存储器。他对RAM的研究使他在氧化物材料中发展了合作轨道排序的概念，也被称为Jahn–Teller畸变，随后他又发展了材料中磁超交换符号的规则，现在被称为古迪纳夫—金森法则。
20 世纪70年代末到80年代初，古迪纳夫继续他的研究，并在牛津大学担任无机化学实验室主任。在牛津大学的工作中，古迪纳夫被认为是对商业锂离子充电电池开发至关重要的人物。也就是在这里，古迪纳夫对锂离子电池的研究有了突破性进展，采用金属氧化物作为阴极材料，并证明了嵌入锂离子的氧化钴可以产生多达4伏的电压，最终为制造更强大的电池奠定了技术基础。
自1986年以来，古迪纳夫一直担任德克萨斯大学奥斯汀分校科克雷尔工程学院机械工程和电气工程系的教授。任职期间，他继续研究离子导电固体和电化学器件。他希望继续研究改进电池材料来促进电动汽车的发展，并帮助减少对化石燃料的依赖。
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，体积能量密度高，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仍然存在争议。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。
值得关注的是，古迪纳夫的童年生活并不愉快，由于他的父母经常吵架，两人几乎没有照顾他。而约翰在学校里还患有诵读困难症，这使得他很难理解课程，也很难跟上教堂的节奏。不过，他对于探索树林和动植物很感兴趣。最终，他克服了自己的残疾，进入了耶鲁大学，并以优异的成绩通过了数学考试。
在他服役后重返学术界时，古迪纳夫在芝加哥大学的本科老师颇为嘲讽地告诉他，其他物理学家在他这个年龄已经达到了他们的巅峰。
结语：古迪纳夫用尽毕生心血推动电动汽车行业的发展
对古迪纳夫而言，科学便是他的全部生命。
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能量密度、高安全性的固态电池，从而解决人类潜在的能源危机。
他曾说：“我想在去世前解决这个问题，我才九十多岁，还有时间。”