John B. Goodenough教授作為一位杰出的固態物理學家,97歲時獲得2019年諾貝爾化學獎,是800多篇研究文章和8本書的作者,研究領域橫跨化學、物理和材料工程,在鋰離子電池(LIBs),特別是正極材料,包括LiCoO2、LiMn2O4和LiFePO4取得了重大成就。在2022年7月25日即將迎來百歲生日之際,昔日弟子福建師范大學陳育明教授,西南大學徐茂文教授,華中科技大學黃云輝教授和美國德克薩斯大學奧斯汀分校Arumugam Manthiram教授以“Creating a rechargeable world”為題在Chem上發文,致敬傳奇!!!初次嘗試數學John B. Goodenough教授于1922年7月25日出生于德國耶拿市。小時候,他患有嚴重的閱讀障礙,嚴重影響了他的學習,但他并沒有放棄克服自己的障礙,最終獲得獎學金從私立寄宿學校畢業,1940年進入耶魯大學攻讀學士學位。除了他的專業,他還學習了許多不同的課程,如古典文學、哲學和化學。1944年,他以優異的成績獲得耶魯大學數學學士學位。二戰爆發后,前往美國并擔任美國陸軍空軍氣象學家。不惑之年轉戰物理為了實現成為一名固態物理學家的愿望,John B. Goodenough在軍隊服役后在芝加哥大學學習物理學。然而,他的決定受到質疑,因為在其他人看來,任何曾經為物理學領域做出重大貢獻的人,在他這個年紀的時候已經取得了很大成就。例如,愛因斯坦26歲提出相對論,玻爾28歲提出玻爾模型,愛迪生32歲點燃白熾燈。但Goodenough堅信物理學是科學的基礎,并選擇在30歲時繼續攻讀博士學位。顯然,他的堅持不懈被證明是值得的。Goodenough-Kanamori規則制定在攻讀博士學位期間,Goodenough師從美國著名應用物理學科學家(穩壓二極管的發明者)Clarence Zener教授。他的導師用兩個啟發性的技巧來指導他如何從事研究:第一個是找到研究問題,第二個是解決它。他博士期間的研究被稱為“六方金屬晶體中密堆積偏差的理論”,從而為后續物理研究奠定了堅實的理論基礎。Goodenough分別于1951年和1952年在芝加哥大學獲得固態物理學碩士和博士學位。然后,他在麻省理工學院的林肯實驗室開始了他的職業生涯,為數字計算機開發隨機存取存儲器(RAM)。Goodenough 與Junjiro Kanamori合作制定 Goodenough-Kanamori規則,磁交換定律在計算機的發展中發揮了關鍵作用。Goodenough-Kanamori規則指出,超交換相互作用是反鐵磁性的,其中虛擬電子轉移是在每個半填充的重疊軌道之間,但它們是鐵磁性的,其中虛擬電子轉移是從半填充到空軌道或從填充到一個半滿的軌道。Goodenough-Kanamori規則對于超交換和半共價交換都是相同的。這些磁性規則也可用于表征可充電電池的電極材料,例如鈣鈦礦。
奠定電池界權威
1967年,福特汽車公司要求Goodenough監測鈉硫(Na-S)電池,作為他首次涉足電化學和電池研究,這個項目激發了他的想象力和好奇心。由于擔心美國的能源短缺問題(石油危機),Goodenough將研究重點轉向能源材料。1976年,鑒于在林肯實驗室的出色工作,牛津大學邀請54歲的Goodenough擔任無機化學實驗室的負責人。同年,英國科學家Stan Whittingham成功發表了一種可充電鋰電池,以層狀TiS2作為正極,鋰金屬作為負極,具有最低的電化學電位(-3.04 V)。然而,電池起火和爆炸事件引發了該產品的大規模召回。Goodenough對如何解決電池安全問題進行了深入分析。得益于他在林肯實驗室多年從事氧化物研究的經驗,Goodenough認為已經含有鋰的層狀金屬氧化物將是理想的正極。1980年開發了LixCoO2材料,這將使一半以上的Li+能夠可逆釋放。LixCoO2是一種類似三明治的層狀結構,其中Li+被Co-O2形成的“面包片”夾在中間層。制成的電池顯示出約4 V的高電壓。這一突破從根本上改變了可充電電池的設計原理。1982年發現一些尖晶石氧化物,如Fe3O4和α-Fe2O3能夠被鋰化。次年,他們進一步發現Li+在室溫下也會嵌入到Mn3O4和Li[Mn2]O4中。最后,Goodenough和他的研究小組發現了另一種更具成本效益的正極材料 (LixMn2O4?)?并提出了關鍵概念。與LixCoO2相比,具有成本低、充電熱穩定性好、倍率性能好等優勢。為了彌補LiCoO2存在兩個主要缺點:Co太貴,充電的Li1-xCoO2熱穩定性低。Arumugam Manthiram和 Goodenough在1986年代后期探索了一系列含鐵聚陰離子氧化物正極Fe2(XO4)3,Goodenough在1997年將LiFePO4確定為正極。同時,層狀、尖晶石和聚陰離子氧化物三類材料仍然是至今唯一流行的商業化LIBs正極材料。此外,一些關于燃料電池,液態鈉鉀電池和鈉離子電池的研究也相繼推出。在Goodenough教授90歲的時候,認為世界需要一個“超級電池”,預測最先進的固態鋰金屬電池就是超級電池。John B. Goodenough教授作為一位不朽的傳奇人物,70年來致力于跨學科的科學和工程,在此過程中培養了數百名學生和博士后。他是一個非常善良和鼓舞人心的人,經常分享一些鼓舞人心的話,Goodenough也是一個很好的傾聽者,總是希望向他人學習。他是每個人的榜樣,不僅體現在科學領域,而且在日常生活中。辛勤工作,勤奮踏實,抓住每一次機會,向傳奇學習,向傳奇致敬!
文獻信息
Yuming Chen, Maowen Xu, Yunhui Huang, Arumugam Manthiram, Creating a rechargeable world,https://doi.org/10.1016/j.chempr.2022.01.011 Yixuan Li, Weikang Li, Ryosuke Shimizu, Diyi Cheng, HongNam Nguyen, Jens Paulsen, Shinichi Kumakura, Minghao Zhang,* Ying Shirley Meng*,Elucidating the Effect of Borate Additive in High-Voltage Electrolyte for Li-Rich Layered Oxide Materials,2022,https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.12.009