John B. Goodenough

John B. Goodenough(约翰·班宁斯特·古迪纳夫)为美国著名固体物理学家,是钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂正极材料的发明人,锂离子电池的奠基人之一,被业界称为“锂电之父”。他对材料科学与技术,特别是锂离子电池领域做出了重要贡献。通过研究化学、结构以及固体电子/离子性质之间的关系来设计新材料解决材料科学问题。因锂电池方面的开创性研究获得2019年的诺贝尔化学奖。
研究方向:过渡金属氧化物、锂离子电池、燃料电池、氧渗透膜。详细的说:他的研究团队生长单晶并且合成新型陶瓷材料。进行化学和结构表征以及高温、高压、元素分析等各种基础研究。从事能量储能和转换材料研究,高温超导超、电子由局部变为流动时的超巨磁阻现象的机理研究,还研究开发了中温固态氧化物燃料电池和氧渗透膜。
一、个人生平
1922年7月25日,John B. Goodenough在美国出生,1943年,在耶鲁大学获得了数学系的文学士学位,期间为科学哲学所吸引决定攻读物理方向研究生。
二战期间,曾作为气象专家在美国陆军航空部队工作,1948年退役。
1951-1952年,在美国西屋电气公司任研发工程师。
1951年在芝加哥大学获得理学硕士学位,1952年获得固态物理博士学位,师从Clarence Zener(齐纳二极管发明者,诺奖得主,见后续专题:材料、仙童与硅谷)。
1952-1976年,在MIT的林肯实验室进行关于内存的材料物理研究,这是关于Mn3+有关的研究,同时接触到了Li离子在固体中的迁移,随后开始固态陶瓷的基础研究。期间首次发现了铁氧体磁芯的电流重合记忆功能,被称为Goodenough-Kanamori规律,这一发现对电子计算机的发展极为关键,并且对磁性材料以及电子材料的研究起到引导作用,也正是在这个时期写了《磁性键与化学键》和《过渡金属氧化物》两本书。并在此时接触并深入研究了锂离子在固体中的迁移规律。
1976年,进入牛津大学任教授并作为无机化学研究负责人,开始了固体化学研究,主要研究可用于能量转换的新材料,提出了碱金属离子固态电解质的构架结构概念并且获得了以尖晶石层状结构氧化物作为阴极的锂离子二次电池的基本专利,期间还从事太阳能转换光电解和燃料电池催化电极方面的研究。
1980年和SONY公司合作开发出了基于碳材料负极和锂钴氧LiCoO2材料正极的可充电离子电池,也就是目前广泛采用的锂离子电池技术,但是LiCoO2受限于有毒、钴资源稀缺等因素,急需替代材料。
1982年伊利诺伊理工大学(the Illinois Institute of Technology)的R.R.Agarwal和J.R.Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特性,首个可用的锂离子由贝尔实验室试制成功,从此石墨代替金属锂作为锂电池负极,从此正极材料成为锂电池突破的主要瓶颈。
1983年M.Thackeray和Goodenough等人发现锰尖晶石是优良的正极材料,具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能。其分解温度高,且氧化性远低于钴酸锂,即使出现短路、过充电,也能够避免了燃烧、爆炸的危险,大大提高安全性。
1986年从牛津大学退休后,受聘于美国德州大学奥斯汀分校机电工程学院担任教授,成为终身教授,担任美国德州大学奥斯汀分校材料科学与工程中心负责人,研发了固体氧化物燃料电池(SOFC)的新型电解质和电极材料,并且对电子从集中变为流动的交互行为物理现象做出了解释。
1989年,A.Manthiram和J.Goodenough发现采用聚合阴离子的正极将产生更高的电压。
1997年开发了低成本的磷酸铁锂LiFePO4正极材料,加快了锂离子电池的商业化。磷酸铁锂是目前安全性最高的正极材料,且充放电性能、廉价、对环境无污染,具有优异的电池循环寿命、安全性、低自放电(库存存放寿命非常长),这使得传统镍氢、镍镉电池黯然失色。其广泛应用于手机等无线便携设备、电动工具、混合动力汽车、小型电动车以及新能源系统储能,已成为当前主流的正极材料,它对全球经济产生了重要影响,并减少了温室气体的排放。
二、人物评价
Goodenough平易近人,在学生眼中他是一个心胸广阔海纳百川的智者,90几岁的他依然坚持工作和教学,由于二战时曾作为气象专家为军方服务,他对团队合作大加赞赏,他说“作为一个士兵,我从没想过凭一己之力赢得战争,最重要的是要尽我所能做好本职工作”。他常把自己比作交响乐队的指挥,他说:“如果我有什么天赋,那就是创造出能激发别人创造力的环境。”
Goodenough 一生都在不同的专业方向努力,是不折不扣的科学全才。他高中时学习文学,大学专业是数学,战后主攻物理方向。在后来的材料科学研究中,他又学习化学和工程学知识。“团队合作并不仅限于人之间,更是科学学科之间,我们需要找到科学、工程、物理和化学之间的联系。对于个人来说,学校的全面素质教育,不仅是为了前途更是生活。我们必须分清楚受教育和受训练的区别。”