鋰電先驅(qū)、諾貝爾獎得主Goodenough去世

鋰電中國 2023-06-27 08:12:36

6月26日，據(jù)外媒報道，鋰離子電池的共同發(fā)明者、2019年諾貝爾化學(xué)獎得主John Bannister Goodenough于2023年6月去世，享年100歲。Goodenough去世的消息得到了他的學(xué)生NicholasGrundish的確認(rèn)。

Goodenough，1922年生于德國耶拿，因開發(fā)鋰離子電池而獲得諾貝爾化學(xué)獎。他與英國出生的美國化學(xué)家M. Stanley Whittingham和日本化學(xué)家Akira Yoshino共同獲得該獎項。Goodenough是至今為止獲得諾貝爾獎的最年長獲獎?wù)摺?/p>

Goodenough是美國著名固體物理學(xué)家，是鈷酸鋰、錳酸鋰和磷酸鐵鋰正極材料的發(fā)明人，鋰離子電池的奠基人之一，他通過研究化學(xué)、結(jié)構(gòu)以及固體電子/離子性質(zhì)之間的關(guān)系來設(shè)計新材料解決材料科學(xué)問題，被業(yè)界稱為“鋰電池之父”。

1943年，Goodenough在耶魯大學(xué)獲得數(shù)學(xué)學(xué)士學(xué)位后，到美國陸軍航空隊擔(dān)任氣象學(xué)家。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，他在芝加哥大學(xué)攻讀物理學(xué)研究生，在那里他獲得了碩士和博士學(xué)位。1952年，Goodenough成為麻省理工學(xué)院林肯實驗室的研究科學(xué)家。1976年，Goodenough成為牛津大學(xué)的教授和無機化學(xué)實驗室的負(fù)責(zé)人。此后，他先后發(fā)現(xiàn)了鈷酸鋰、錳酸鋰和磷酸鐵鋰正極材料。

在鋰電池發(fā)明之前，最初的可充電電池的電極中含有固體物質(zhì)，當(dāng)它們與電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時會分解，從而毀壞電池。鋰離子電池的基礎(chǔ)是在上世紀(jì)70年代的石油危機期間建立的。英籍化學(xué)家M. Stanley Whittingham起草了鋰電池的初步設(shè)計方案，以硫化鈦作為正極材料，金屬鋰作為負(fù)極材料，制成了一個可以充放電的電池。所設(shè)計的電池顯示出高堿性電池的電壓為2V（1.5V），它表現(xiàn)出更高的能量密度并在室溫下工作。但該電池的電化學(xué)反應(yīng)使它容易爆炸，還會在反復(fù)的充放電過程中逐漸衰減。爆炸的主要原因是循環(huán)過程中形成的樹枝狀鋰會刺穿兩個電極之間的隔膜，導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，整個電池會劇烈升溫而爆炸。

Goodenough對如何解決電池安全問題進(jìn)行了深入分析。得益于他在林肯實驗室多年從事氧化物研究的經(jīng)驗，Goodenough認(rèn)為已經(jīng)含有鋰的層狀金屬氧化物將是理想的陰極。確保電池電動勢的產(chǎn)生需要在電池內(nèi)部保持一定量的離子運動。然而，Li⁺的過度提取會導(dǎo)致電極材料層狀結(jié)構(gòu)的崩潰，這是必須解決的問題。經(jīng)過四年的研究，Goodenough和他的團隊首先提出了“用于存儲電池電極的固溶氧化物”，于1980年開發(fā)出了鋰離子可充電電池的首選陰極材料鈷酸鋰。這是一種比金屬鋰更為溫和且能夠提升電池儲存電量的材料，可以可逆地釋放一半以上的Li⁺。鈷酸鋰是一種類似三明治的層狀結(jié)構(gòu)，其中鋰離子被Co-O₂層形成的“面包片”夾在中間。所制成的電池顯示出大約4V的高電壓，這一突破從根本上改變了可充電電池的設(shè)計原理。

鈷酸鋰、錳酸鋰和磷酸鐵鋰正極材料的晶體結(jié)構(gòu)

彼時在日本，Akira Yoshino正在研究負(fù)極材料，他采用了Goodenough的這一發(fā)現(xiàn)，以石墨材料為負(fù)極，從而建立起現(xiàn)代鋰離子電池的基本框架。后來，索尼買下了這一專利，將鈷酸鋰與石墨結(jié)合，開發(fā)出了全新的可充電鋰離子電池。一經(jīng)問世，它受到市場熱烈歡迎，被應(yīng)用到相機、電腦、手機中，Goodenough也聲名大噪。