鋰電池之父古迪納夫教授去世，曾獲2019年諾貝爾化學(xué)獎，最新成果是固態(tài)電池-世界熱頭條

車東西（公眾號：chedongxi）作者 | 小崔編輯 | Juice

車東西6月26日消息，今天上午，鋰離子電池共同發(fā)明者、2019年諾貝爾化學(xué)獎的共同獲得者約翰·班尼斯特·古迪納夫教授（Prof. John Bannister Goodenough）在美國去世，距離101歲只差一個月。

▲約翰·班尼斯特·古迪納夫教授

【資料圖】

古迪納夫教授是美國材料科學(xué)家、固態(tài)物理學(xué)家和諾貝爾化學(xué)獎獲得者，生前曾在麻省理工學(xué)院林肯實驗室工作24年，并擔(dān)任牛津大學(xué)終身教授、德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的機械、材料科學(xué)和電氣工程教授。

古迪納夫教授被廣泛認(rèn)為是鋰離子電池之父，他發(fā)現(xiàn)了古迪納夫—金森法則，這項法則可被用于確定超交換材料磁性符號，此外，他在計算機隨機存取存儲器方面也取得了開創(chuàng)性發(fā)展。

一、古迪納夫去世 距101歲僅1個月

據(jù)外媒business line報道，鋰電池之父、2019年諾貝爾化學(xué)獎得主古迪納夫教授剛剛?cè)ナ?，距離101歲只差1個月。

目前，古迪納夫教授的去世消息已被他的學(xué)生尼古拉斯·格倫迪什（Nicholas Grundish）證實。

二、鋰電池之父 年齡最大的諾獎得主

古迪納夫教授生平最大的貢獻(xiàn)便是開發(fā)了鋰離子可充電電池，同時還發(fā)現(xiàn)了用于確定超交換（superexchange)材料磁性符號的古迪納夫—金森法則，因此被廣泛稱為鋰電池之父。

2019年10月9日，瑞典皇家科學(xué)院宣布將2019年諾貝爾化學(xué)獎授予約翰·B·古迪納夫(John B. Goodenough)、斯坦利·威廷漢（M. Stanley Whittingham） 和吉野彰(Akira Yoshino)三人，以表彰他們在開發(fā)鋰離子電池方面作出的杰出貢獻(xiàn)。

▲古迪納夫獲得2019年諾貝爾化學(xué)獎

而在三位獲獎的科學(xué)家中，最引人矚目的就是被稱為“鋰電池之父”的古迪納夫?？梢哉f，沒有他就沒有鋰電池，也就沒有之后的手機和電腦，更沒有如今蓬勃發(fā)展的電動汽車。

鋰電池基于鋰離子在陽極和陰極之間流動來產(chǎn)生電流，時任紐約州立大學(xué)賓漢姆頓分校教授的威廷漢曾將二硫化鈦用鋰電池陰極材料，該材料在分子水平上具有可以容納（嵌入）鋰離子的空間。

而時任美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校教授的古迪納夫則預(yù)測，如果使用金屬氧化物而不是金屬硫化物作為陰極材料，那么鋰電池將具有更大的潛力。他在1980年證明了嵌入鋰離子的氧化鈷可以產(chǎn)生多達(dá)4伏的電壓，由此為制造更強大的電池奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，成為鋰電池歷史上的重大技術(shù)突破。

1985年，日本化學(xué)家、現(xiàn)任名城大學(xué)教授吉野彰在古迪納夫鋰電池陰極的基礎(chǔ)上，推出了首個可商用的鋰離子電池，此外，在陽極材料方面吉野彰沒有使用反應(yīng)性鋰，而是采用了石油焦炭作為材料。

如果用學(xué)術(shù)化的方式來講，那就是古迪納夫開發(fā)了鋰離子可充電電池。

正是因為古迪納夫在鋰電池領(lǐng)域的這種貢獻(xiàn)，古迪納夫也被選為美國國家工程院、美國國家科學(xué)院、法國科學(xué)院、西班牙皇家學(xué)會和英國皇家學(xué)會院士，在學(xué)術(shù)界聲名顯赫。

▲2013年2月，奧巴馬在白宮向約翰·古迪納夫頒發(fā)國家科學(xué)獎?wù)隆?/p>

值得注意的是，古迪納夫彼時雖然已經(jīng)是97歲高齡，但仍然活躍在學(xué)術(shù)一線，他每天都會去自己所在的美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校實驗室工作，當(dāng)時還在致力于研究電池領(lǐng)域最前沿的固態(tài)電池技術(shù)，并且希望徹底改變電動汽車的使用前景。

2017年夏天，古迪納夫就與幾位專家一道在《能源與環(huán)境科學(xué)》期刊上發(fā)布論文，宣布其已經(jīng)研發(fā)出了具備高能量密度、快速充電和長壽命的全固態(tài)電池原型。

古迪納夫團隊表示，這一固態(tài)電池的能量密度至少是傳統(tǒng)鋰電池能量密度的三倍，同時還具備充放電壽命長、充電速度快的特性。按照德州大學(xué)奧斯汀分校官網(wǎng)的說法，其充電速度是按照分鐘而不是傳統(tǒng)鋰電池的小時來計算。

▲德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校官網(wǎng)報道宣布古迪納夫團隊研發(fā)出全固態(tài)電解質(zhì)鋰電池

據(jù)了解，傳統(tǒng)鋰電池陰極和陽極之間使用的是液態(tài)電解質(zhì)，鋰離子在其中穿梭以存儲或釋放電量。如果電池充電過快，電池中會形成枝晶（金屬晶須），穿過電解質(zhì)造成短路，進而引發(fā)火災(zāi)或者爆炸。

在研究中，古迪納夫團隊用一種玻璃電解質(zhì)代替了傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)。這種電解質(zhì)可以使用堿金屬作為電極，并且不會出現(xiàn)枝晶的情況。

正是有了堿金屬作為電極（傳統(tǒng)電池?zé)o法使用），不僅提升了固態(tài)電池陰極的能量密度，還將其充放電壽命延長到了1200多次。

更重要的是，由于這個玻璃電解質(zhì)在零下20度的環(huán)境下仍然具有較高的導(dǎo)電性能，因此搭載這一電解質(zhì)的固態(tài)電池可以讓電動汽車在零度以下的環(huán)境下仍然能正常工作，最低可達(dá)零下60度。

而搭載普通液態(tài)電解質(zhì)的鋰電池，在極低溫環(huán)境下，充放電性能會大幅縮減。要想保持良好的性能，必須使用額外的液態(tài)溫度控制系統(tǒng)對其進行加熱。

需要指出的是，古迪納夫尤其重視該技術(shù)在電動汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。在發(fā)表論文時他明確講道，“成本、安全性、能量密度、充放電速率、循環(huán)壽命等參數(shù)，對于電動汽車的普及至關(guān)重要。我相信我們的發(fā)現(xiàn)，將解決現(xiàn)有電池的很多問題。”

值得指出的是，1901至2022年間，諾貝爾化學(xué)獎共頒布了114次，共有190位諾貝爾化學(xué)獎獲得者，在這190位獲獎?wù)咧校诺霞{夫是獲獎年齡最高的記錄保持者。

三、獻(xiàn)身科學(xué) 力促電池技術(shù)發(fā)展

1922年7月25日，約翰·古迪納夫出生于德國耶拿，他的父母是美國人。約翰出生時，他的父親正在哈佛神學(xué)院攻讀博士學(xué)位，后來成為耶魯大學(xué)宗教史教授。約翰的哥哥，已故的Ward Goodenough，是賓夕法尼亞大學(xué)的人類學(xué)家。此外，他還有一個同父異母的妹妹Ursula Goodenough，她是圣路易斯（參數(shù)丨圖片）華盛頓大學(xué)生物學(xué)榮譽退休教授。

1940年，古迪納夫從馬薩諸塞州格羅頓的寄宿高中畢業(yè)。有意思的是，剛上大學(xué)時，約翰的專業(yè)是古典文學(xué)，屬于純文科專業(yè)，隨后他對哲學(xué)產(chǎn)生了興趣，于是轉(zhuǎn)到哲學(xué)專業(yè)，為了湊學(xué)分，他選修了兩門化學(xué)課程，后來，他遇到數(shù)學(xué)教授邁爾斯，認(rèn)為他非常適合學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)，約翰于是轉(zhuǎn)向了數(shù)學(xué)的“懷抱”，1944年，古迪納夫在耶魯大學(xué)獲得數(shù)學(xué)系學(xué)士學(xué)位。

在第二次世界大戰(zhàn)中，古迪納夫作為氣象兵在美國陸軍服役，二戰(zhàn)之后，古迪納夫前往芝加哥大學(xué)完成了碩士學(xué)位。1952年，古迪納夫獲得物理學(xué)博士學(xué)位，他的博士生導(dǎo)師是電氣故障理論學(xué)家Clarence Zener，博士期間，他與包括Enrico Fermi 和John A. Simpson在內(nèi)的物理學(xué)家一起工作和學(xué)習(xí)。在芝加哥時，他還認(rèn)識了歷史研究生艾琳·懷斯曼并與之結(jié)婚。

學(xué)業(yè)結(jié)束后，古迪納夫在麻省理工學(xué)院林肯實驗室擔(dān)任了24年的研究科學(xué)家和團隊負(fù)責(zé)人。在此期間，他是一個跨學(xué)科團隊的成員，負(fù)責(zé)開發(fā)隨機存取磁存儲器。他對RAM的研究使他在氧化物材料中發(fā)展了合作軌道排序的概念，也被稱為Jahn–Teller畸變，隨后他又發(fā)展了材料中磁超交換符號的規(guī)則，現(xiàn)在被稱為古迪納夫—金森法則。

20世紀(jì)70年代末到80年代初，古迪納夫繼續(xù)他的研究，并在牛津大學(xué)擔(dān)任無機化學(xué)實驗室主任。在牛津大學(xué)的工作中，古迪納夫被認(rèn)為是對商業(yè)鋰離子充電電池開發(fā)至關(guān)重要的人物。也就是在這里，古迪納夫?qū)︿囯x子電池的研究有了突破性進展，采用金屬氧化物作為陰極材料，并證明了嵌入鋰離子的氧化鈷可以產(chǎn)生多達(dá)4伏的電壓，最終為制造更強大的電池奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

自1986年以來，古迪納夫一直擔(dān)任德克薩斯大學(xué)奧斯汀分?？瓶死谞柟こ虒W(xué)院機械工程和電氣工程系的教授。任職期間，他繼續(xù)研究離子導(dǎo)電固體和電化學(xué)器件。他希望繼續(xù)研究改進電池材料來促進電動汽車的發(fā)展，并幫助減少對化石燃料的依賴。

2017年2月28日，古迪納夫和他在得克薩斯大學(xué)的團隊在《能源與環(huán)境科學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于玻璃電池的論文，這是一種低成本的全固態(tài)電池，不燃，循環(huán)壽命長，體積能量密度高，充放電速度快。該電池使用玻璃電解質(zhì)，而不是液體電解質(zhì)，可以在不形成枝晶的情況下使用堿金屬陽極。然而，這篇論文遭到了電池研究界的廣泛質(zhì)疑，在幾項后續(xù)工作之后仍然存在爭議。這項工作被批評為缺乏全面的數(shù)據(jù)，對所獲得的數(shù)據(jù)的虛假解釋，以及所提出的電池運行機制將違反熱力學(xué)第一定律。而在2020年4月，古迪納夫代表葡萄牙國家能源與地質(zhì)實驗室、葡萄牙波爾圖大學(xué)和得克薩斯大學(xué)為玻璃電池申請了專利。

值得關(guān)注的是，古迪納夫的童年生活并不愉快，由于他的父母經(jīng)常吵架，兩人幾乎沒有照顧他。而約翰在學(xué)校里還患有誦讀困難癥，這使得他很難理解課程，也很難跟上教堂的節(jié)奏。不過，他對于探索樹林和動植物很感興趣。最終，他克服了自己的殘疾，進入了耶魯大學(xué)，并以優(yōu)異的成績通過了數(shù)學(xué)考試。

在他服役后重返學(xué)術(shù)界時，古迪納夫在芝加哥大學(xué)的本科老師頗為嘲諷地告訴他，其他物理學(xué)家在他這個年齡已經(jīng)達(dá)到了他們的巔峰。

結(jié)語：古迪納夫用盡畢生心血推動電動汽車行業(yè)的發(fā)展

對古迪納夫而言，科學(xué)便是他的全部生命。

即使在97歲高齡獲得諾貝爾獎之后，古迪納夫仍然希望能研發(fā)出高能量密度、高安全性的固態(tài)電池，從而解決人類潛在的能源危機。

他曾說：“我想在去世前解決這個問題，我才九十多歲，還有時間?！?/p>

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