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97歲諾獎得主的勵志人生:本科文學,博士物理,54歲做鋰電池研究

2019-10-12   

中國電源產業網

導語:97歲,他還奮戰在科研一線。

97歲,他還奮戰在科研一線。

John B. Goodenough,人稱“足夠好”老爺爺,剛剛加冕諾貝爾獎。

10月9日,2019年諾貝爾化學獎頒向鋰電池領域。

Goodenough與M. Stanley Whittingham,以及日本科學家吉野彰(Akira Yoshino)共享了這一獎項。

以表彰他們在鋰離子電池領域作出的貢獻。

諾貝爾評獎委員會稱,三人的研究使鋰電池的使用方式更加穩定,從而開啟了電子設備便攜化進程,為打造一個無線互聯的社會奠定基礎。

引用果殼更科普化的解釋,如果沒有沒有他們,我們每天形影不離的手機就是個隨時可能點燃的炸藥包。

而且Goodenough今年加冕,也刷新諾貝爾獎新紀錄——以97歲高齡,成為最年長的諾貝爾獎得主。

在此之外,他還是美國國家工程院、美國國家科學院、法國科學院、西班牙皇家科學院、英國皇家學會會員,撰寫了超過550篇文章、參與85本著作的編寫,是2009年費米獎得主、2017年威爾齊化學獎得主,還獲得了英國皇家學會的科普利獎章。

但這還不是Goodenough令人稱奇、敬佩的全部。

當他獲獎,外界關注他的履歷,才發現其充滿坎坷和跌宕的一生,簡直就是傳奇的一生、榜樣的一生,勵志的一生。

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很難想象,這位鋰電池之父患有閱讀障礙癥,成長家庭并不和睦,大學歷經二戰,30歲才拿下博士學位,年過半百才正式研究電池材料。

之后一路開掛,58歲發明鈷酸鋰電池改變世界,75歲以磷酸鐵鋰電池再度改變世界,90歲以后開始研究全固態電池。

至今如此高齡,依舊每周上班5天,仍舊有新研究成果問世。

如果你會有“現在做XX是不是太晚”的疑惑,一定要看看Goodenough這傳奇的一生。


如何成為鋰電池之父?

我們先從Goodenough如今成名作說起,看看他的科研之路。

Goodenough的博士本身讀的是固態物理,30歲從芝加哥大學博士畢業,之后去了MIT林肯實驗室,研究內存的材料物理和固態陶瓷。


24年之后,Goodenough進行了人生第一次“跳槽”。

那年,牛津大學需要一位能教無機化學,同時也能管實驗室的教授。

Goodenough雖然研究的是物理,但他本科的時候為了湊學分學了兩門化學課,就因此意外的被選中了,進入牛津大學任教,并成為無機化學研究負責人。

正是這一次跳槽,讓Goodenough終于在54歲的年紀開始了一項改變世界的研究。


Goodenough在牛津主要研究的課題是可用于能量轉換的新材料。當時他初到英國,英國化學家、和他一起獲得諾獎的Stanley Whittingham發明了最早的可充電鋰電池,借助鋰能嵌入二硫化鈦層間這一特性,用二硫化鈦做正極,用鋰做負極。


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當時的消費電子產品只能使用不可充電的碳鋅電池,雖然已經有了可充電的鉛酸電池,但畢竟用在電動車上的鉛酸電池那么笨重,是沒法拿來做消費電子產品的。

而Whittingham的這項研究,不僅可以靠鋰離子的運動進行充電,還能用在小型設備上,并在室溫下運行,解決了兩種電池的痛點。

但Whittingham的研究是沒法直接用的,因為有一個大bug:安全問題。

正極,二硫化鈦,在空氣中是非常不穩定;

負極,鋰,這種金屬是易燃;

而且,在充放電過程中,鋰會快速沉積產生枝晶,這樣就容易讓電池短路,這也是現在電動車自燃的元兇之一。


所以Whittingham發明的這種電池雖然原理可行,但容易爆炸,是個危險品,完全沒法應用,需要把正負極的材料都換掉才行。

這個時候,學了30年物理的Goodenough有了一個大膽的想法:把鋰換成氧化物吧。

他判斷,氧化物可以讓電池在更高的電壓下進行充電和放電,根據物理學原理,這種電池會產生更多的電量,并且揮發性會更小。


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于是他測試了各種氧化物,發現如果把鈷這種元素放進去會比較穩定。

終于,在Goodenough到達牛津的四年后的1980年,57歲的他和水島公一、Philip Jones、Philip Wiseman共同發現了鈷酸鋰這種物質,讓Whittingham的鋰電池變得穩定多了。


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在他的實驗室外面,英國皇家化學學會樹立了這塊藍色的牌子,紀念鈷酸鋰的發現。

不過,鈷酸鋰中的鋰和金屬鋰的化合價是不同的,鈷酸鋰在電池里是一種正極材料,為了湊成一塊電池,還需要找一種負極材料。

這個時候,日本的索尼出現了,他們發現了石墨可以拿來做負極材料。

然而在英國,因為此前發生過爆炸事故,大家聞鋰電池色變,甚至Goodenough工作的牛津都不愿意幫忙申請專利,而是讓英國原子能研究機構申請到了這個專利,后來被索尼買走。


于是,索尼成功接下了這個“燙手山芋”,并和自己研發的負極材料放在一起,創造了新的電池,并將之商業化,用在了各種各樣的電子產品中。

而Goodenough,甚至沒有從如今這價值350億美元的鋰電池市場中賺到錢。不過他本人后來在接受c&en采訪的時候反而很淡定:“我當時并不知道它會值這么多錢。


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雖然在57歲才發現了讓他名聲大噪的鈷酸鋰,但Goodenough似乎就是一個耐久型選手,后來還發現了許多種電池材料:1983年,61歲的他發現錳尖晶石正極材料;1997年,75歲的他發現磷酸鐵鋰正極材料,這些都是電池正極的升級替代品。

甚至,為了持續做研究,他還打了牛津退休政策的擦邊球。

本來,牛津大學要求65歲強制退休的,但Goodenough不想退休,于是他在64歲的時候又跳槽了。


這次,他回到了美國,在德州大學奧斯汀分校當機械工程和材料科學教授,繼續做研究。

閱讀障礙癥患者,文學少年讀物理PhD

Goodenough出生于1922年,這是一個科學蓬勃發展的時代。

在這一年,法國醫生卡雷爾發現白血球,加拿大科學家班廷制成人造胰島素。


波爾因關于原子結構以及原子輻射的研究獲得諾貝爾獎。

之后,費米、薛定諤等量子物理領域的大佬開始展露鋒芒。

兒時的Goodenough,雖然家就在耶魯附近,不過出生在了一個學文科的家庭,似乎離這些自然科學家們有些距離。

但數十年后,他也將成為他們中的一員。

當時,擺在他面前的,是怎么克服自己的閱讀障礙癥。因為閱讀障礙癥,在小學和中學時代,他受到了不少同學的戲弄。

但在求學過程中,他也慢慢從大自然,以及詩歌和宗教哲學中獲得了力量,贏得了學校的獎學金。


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1940年,18歲的Goodenough考入了耶魯大學。

對于他來說,這種對家庭的逃離讓他松了口氣,因為他父母關系并不好。

就在考入耶魯大學之前,他的父母離婚了。他父親(歷史教授)很快就與自己的研究助手成婚。

這個環境讓他頗感壓抑,而且他與自己父親的關系并不怎么好。

他去耶魯讀書的時候,只從家里拿到了35美元的資助,而耶魯的學費至少每年900美元。

好在他有獎學金,校長還幫忙安排他去給有錢人家的孩子當家教,靠著半工半讀養活自己,他再也沒問家里要一分錢。

用Goodenough的原話說,就是“每周工作21個小時掙自己的21頓飯。

進入耶魯之后,Goodenough還是遵循著自己的興趣,先是選了古典文學,后來轉到了哲學,期間還學習過化學。


之后,在一名教授的建議下選擇了數學專業,并堅持了下去。

但這一路也頗為坎坷,就在讀大學的第二年,珍珠港事件爆發了。

Goodenough選擇了主動申請服役,三年后才回到耶魯大學完成了學業。

畢業之后,他再度返回戰場,加入了美國空軍。

本打算和朋友一樣去報海軍陸戰隊,中途被數學老師叫去說“不要當大兵,我們需要懂數學的人做戰爭氣象預報”,于是沒有上前線,而是負責在一個太平洋的海島上收集數據。


1946年,Goodenough迎來了命運的轉折。當時,美國政府出資,選派軍人去深造,獲得了耶魯大學教授推薦的Goodenough就在其列,他可以選擇在芝加哥大學或西北大學學習物理或數學。

經過重重考慮,他決定前往芝加哥大學攻讀物理學博士。


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之前就想過考物理研究生,但被管學生注冊的人告知,物理學里所有厲害的東西,人家在你這個年紀都已經搞完了,你現在才想著開始啊?

最終,他還是考上了芝大物理系,當時是恩里克·費米在管,據說費米一上來就給新生安排了一個32小時的超級大考試,每天8小時,連考4天。

第一次考掛了,于是又考了第二次才過,總計64小時。

其后師從著名物理學家齊納,他30歲時發明齊納二極管。


在芝加哥這幾年,他主要的研究固態物理學,并打下了堅實的理論基礎,對于自己人生方向也有了新的思考。

在他求學期間,齊納也給他提供了很大的幫助,他曾對Goodenough說:“你有兩個問題,第一個問題是找到問題,第二個問題是解決問題……”

這一理念,對Goodenough產生了很大的影響。


30歲獲得物理學博士學位之后,經過在MIT的工作以及自身的理解,在牛津大學他選定了自己的方向——電池材料,并一直堅持了下去。

還能再戰,不想退休等死


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直到現在,他還在科研一線繼續解決“問題”。

去年,Goodenough接受媒體采訪時也談到了自己的問題,他說:

我想解決汽車的問題,我想讓汽車尾氣從全世界的高速公路上消失。我希望死前能看到這一天,我今年 96 歲,還有時間。

而且,解決問題并不僅僅只是靠口號。

Goodenough仍舊活躍在科研前線,就在最近,他和自己的團隊還發現了一種用于鈉離子電池的新型安全正極材料。


并仍舊有作品發表,比如這篇:

J.B. Goodenough, Personal journey into solid state chemistry, Journal of Solid State Chemistry 271 (2019) 387–392.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022459618305607


就在幾個月前,他還在采訪中說:

我不想退休等死,我想努力奮斗,我相信我們正在做的事情是非常重要的。

這些重要的事情有很多,比如他嘗試用自然界中存量更多的鈉代替鋰作為電池材料,以降低電池的成本。

再比如,如何用金屬鋰做正極,制造出更強大的電池。

還有電解質方面,Goodenough也在嘗試用玻璃固態電解質做出更安全的電池。

據說,“足夠好”老爺爺現在依舊精力充沛,有人在知乎上回答說,整個走廊都能聽到他爽朗的笑聲。

嗯,足夠好,還會更好。


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轉自:量子位


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