纪念“锂电池之父”Goodenough教授：他用“足够好”的发明，改变了世界面貌

　　据得克萨斯大学奥斯汀分校消息，当地时间6月25日，2019年诺贝尔化学奖得主约翰·古迪纳夫（John Goodenough）教授与世长辞，享年100岁。

　　作为诺奖历史上最高龄的获奖者，“锂电池之父”古迪纳夫教授通过他的发明改变了世界的面貌。1980年，他革命性地提出了锂的金属氧化物钴酸锂（LiCoO2）可以成为锂电池的阴极材料。这项突破解决了电极材料的重大难题，时至今日，我们依旧在使用这种材料制造锂电池。

　　今天，我们的生产生活早已与古迪纳夫教授的发明密不可分。电子产品、医疗器械、航空航天和国防、可再生能源存储、电动汽车等领域的发展，都离不开锂电池技术的支持。可以说，没有他就没有现在的“摩登时代”。现在，药明康德内容团队将通过这篇文章回顾这位“足够好”教授不断探索求知、勇于突破自我的传奇人生。

　　　　▲John B. Goodenough教授（图片来源：US Embassy Sweden, CC BY 2.0 , via Wikimedia Commons)

　　先天不足，但勤能补拙

　　约翰·古迪纳夫于1922年7月出生于德国耶拿，在他6岁时，他的父亲从牛津大学回到了美国担任耶鲁大学宗教史的教授。在距离耶鲁大学7公里处一所占地5英亩的老房子里，古迪纳夫度过了他快乐的童年时光。他非常喜欢大自然，也喜欢在田野和树林里活动，收集各类标本。然而，在古迪纳夫7岁时，他发现了自己有阅读障碍…

　　是的，这位伟大的科学家在小时候并不擅长阅读。为了弥补这一缺陷，他付出了成倍的努力，自学了阅读和写作。功夫不负有心人，1934年9月，12岁的古迪纳夫带着全额奖学金进入了格罗顿学校 ——这所学校曾因优质的教学质量被《华尔街时报》列为“世界上最好的50所中学”之一。尽管古迪纳夫在刚进入这所中学时，他在所有科目中均被归在了最低的一档（共分为3档：B、A和超A）。但到他5年级时，古迪纳夫已经从B档一直升到了超A档。

　　中学时代的经历是古迪纳夫所有求学经历的一个缩影。从小学到博士毕业，尽管他一开始的天赋或背景都不及其他同学，但他每每都能以优异的成绩完成学业。在他诺贝尔奖获得者的自传中和其他采访中，古迪纳夫对自己是如何通过努力克服了阅读障碍和艰难的学习过程的描述只有寥寥数语，仿佛对他来说，“努力”并不是什么值得一提的事情。

　　兜兜转转，完成学习物理学的夙愿

　　1940年，18岁的古迪纳夫进入了耶鲁大学。新生时期的古迪纳夫尝试了包括伦理、美学、化学、心理学、微积分在内的多种科目，却始终未能决定未来主要的发展道路，这些似乎都不是他最感兴趣的方向。

　　当同龄人都渴望名利和权势时，古迪纳夫却已开始反思：成为像国王一样应有尽有的人生就有意义吗？也是在那时，古迪纳夫想明白了自己人生的意义——为创造一个更加公正的世界而服务。但他不想通过战争这种破坏性的手段来达成。

　　那么，该通过哪种方式来实现自己的人生意义呢？

　　　　二战期间的某个晚上，古迪纳夫有了答案。当时，他正作为空军基地气象站的一名气象学家驻扎在葡萄牙海岸外的亚速尔群岛上。古迪纳夫偶然间读到了Alfred North Whitehead写的《科学与现代世界》。看完书后，古迪纳夫思绪万千心潮澎湃，仿佛感受到了一种使命的召唤——如果战后有机会去做研究，他觉得他应该选择学习物理。在他看来，他们那一代人的大部分智力活动都集中在科学上。而从某种意义上来说，物理学是所有自然科学的基础。

　　1946年的春天，机会出现了。

　　有赖于一位耶鲁大学数学教授的提名，24岁的古迪纳夫终于如愿以偿进入芝加哥大学做物理学研究。在他博士期间，古迪纳夫师从发明了齐纳二极管的物理学大家克拉伦斯·齐纳 （Clarence Zener）教授，从而进入了固态材料科学领域。齐纳教授在最开始只教了他两个问题：“第一个问题，找到问题。第二个问题，解决它。”

　　古迪纳夫将这两点谨记在心，出色地完成了学业。1952年，古迪纳夫带着物理学硕士和博士学位从芝加哥大学毕业。

　　年过半百勇于投身新的领域，诺奖级研究应运而生

　　毕业后的古迪纳夫在麻省理工学院林肯实验室担任研究工程师长达24年。在那里，他专注于磁学，并为计算机存储器的发展作出了贡献。但由于古迪纳夫最感兴趣的项目预算被削减，他不得不选择了离开。

　　当然在这时，谁也不会想到，此时已经年过半百的物理学博士会毅然选择投身于一个全新的领域——电化学，并开发出能够影响整个现代社会的研究成果。

　　1976年，在妻子的支持下，54岁的古迪纳夫选择接受牛津大学的邀请成为无机化学实验室的负责人。也是在这里，古迪纳夫开启了关于锂离子电池的研究。

　　　　▲古迪纳夫教授与妻子艾琳（图片来源：参考资料[1])

　　那时恰逢科学界激起了一股研究电池的热潮，锂电池是当时人们提出的新型电池之一。

　　宾汉顿大学化学家和材料科学家斯坦利·惠廷厄姆（Stanley Whittingham）教授率先制造出了锂电池的雏形——二硫化钛作为阴极储存锂离子，金属锂作为阳极的全新电池系统。这种电池重量轻且能量高，但棘手的是，它非常容易起火或爆炸。

　　造成这种安全隐患的原因是由于锂是一种特别活泼的金属，在某些充电条件下，锂离子在返回阳极的过程中会形成纤细的、针状结构的锂金属积聚物，也被称为枝晶。如果枝晶长得足够长，它们可以从一个电极直接长到另一个电极造成电池短路和过热，随着压力的升高甚至会爆炸。

　　如果问题出在电极的材料上，那是不是替换电极材料就能解决问题了呢？

　　在那时，古迪纳夫正在研究金属氧化物的磁性，并注意到了钴氧化物的结构与惠廷厄姆小组在其电池阴极中使用的二硫化钛的结构相似。古迪纳夫据此推断他的钴材料也可以用作电极的阴极，同时解决二硫化钛价格昂贵、与空气接触后会产生有毒的硫化氢的问题。

　　1980年，古迪纳夫教授的团队获得了突破，他们发现锂的金属氧化物——钴酸锂（LiCoO2）作为锂电池的阴极是极好的材料。一方面，它依然能释放锂离子；另一方面，它更为稳定，没有安全隐患。这解决了锂离子电池开发一半的难题。

　　　　▲锂电池的结构示意图（图片来源：https://avs.scitation.org/doi/10.1116/1.4983210）

　　1985年，吉野彰博士与其同事使用石油焦作为阳极材料，解决了锂离子电池开发剩下的难题，并制造出了第一块现代锂电池。时至今日，锂离子电池的应用已遍布全球，渗透在我们日常生活中的方方面面。

　　自锂电池被广泛应用起，古迪纳夫教授、惠廷厄姆教授以及吉野彰博士就一直被视为诺贝尔化学奖的有力竞争者。直到2019年，距离第一块现代锂离子电池被发明已经过去了30多年时，三位科学巨匠才因在锂电池发明道路上所做出的奠基性贡献获得了诺贝尔化学奖。这份迟到的荣誉也使得古迪纳夫教授成为了史上年龄最大的诺贝尔奖获得者。那时，他已经97岁高龄了！

　　乐天知命，勤勉一生

　　古迪纳夫教授虽然是锂离子电池阴极的发明者，但当时牛津大学并没有为这项电池技术申请专利。他为了让这项技术能够推向市场，最终签署了英国原子能研究机构的特许权使用权，且从未从中赚取过一分钱。

　　据估计，锂离子电池的专利价值数十亿美元。经常有人会问古迪纳夫教授：“当你开发出锂离子电池的阴极材料时，有想到过它会有如此巨大的价值吗？”古迪纳夫教授表示没有料到。对于专利的事情他保持着一惯的乐观，并在他的自传中表示：“成功实现一项能够改变这么多人生活的技术的喜悦就是足够的回报了。”

　　　　1986年，64岁的古迪纳夫教授从牛津大学退休后，又在得克萨斯大学奥斯汀分校担任了32年的材料科学与工程学教授，继续在固体中的电化学和离子传输领域发光发热。在生命的最后几年中，古迪纳夫教授仍在着手寻找完美的固体电解质，以期能够替代易燃的液体电解质，帮助开发更安全的锂或钠基电池。

　　就像他的名字一样，古迪纳夫教授百年如一日地让自己这一生做到了“足够好”，同时还实现了他年少时追求的人生意义——他的发明确实让这个世界变得更好了。让我们向这位伟大的科学家致以最崇高的敬意！

　　参考资料：

　　[1] John B. Goodenough Biographical. Retrieved from https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2019/goodenough/biographical/

　　[2] Podcast: For John Goodenough’s 100th birthday, Stereo Chemistry revisits a fan-favorite interview with the renowned scientist. Retrieved July 25, 2022，from https://cen.acs.org/people/Podcast-John-Goodenough-100th-birthday/100/web/2022/07

　　[3] 迟来的荣耀！2019诺贝尔化学奖授予锂电池发明人，Retrieved October 9, 2019, from https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwMDA5NTIxNQ==&mid=2649987682&idx=1&sn=8e342b3c40d75aeda43b8af4dce360d7

　　[4] UT Mourns Lithium-Ion Battery Inventor and Nobel Prize Recipient John Goodenough. Retrieved from https://news.utexas.edu/2023/06/26/ut-mourns-lithium-ion-battery-inventor-and-nobel-prize-recipient-john-goodenough/

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