重大貢獻
Prof. John.B.Goodenough是鋰鈷氧和磷酸鐵鋰正極材料的發明人
傳奇人生
老人家在二戰之前就在讀大學了,美國名校Yale,不過讀的是文學和數學,化學只是他大一的時候學的一門選修課……他當時的目的是為了拿到一個文學學位……
在他老人家讀詩詞的時候,突然對聖經和宗教產生了濃厚的興趣,就開始學習哲學,被科學哲學深深吸引,並讀了一本影響他一生的書:Whitehead的 Science and the Modern World,於是他就決定在戰後有機會要讀物理的研究生。
二戰的時候,他老人家在美國空軍做大西洋氣象方面的工作,1946年,他被從亞述海的小島上召回芝加哥,讓他在University of Chicago 和 Northwestern University之間選擇一個,讀物理或者數學的研究生。當時他在Yale的數學教授Egbert Miles希望能夠招他入學,但是他還是堅持了自己的信念,選擇了去University of Chicago 讀物理碩士。老先生1948年退伍,依靠退伍老兵的權利法案得以繼續學習。在考試合格後,老人家決定不學核物理,而是跟隨Clarence Zener學習固體物理。在博士畢業後,他從University of Pennsylvania和MIT的美國空軍林肯實驗室中選擇了後者。
那是在1952年,當時的計算機剛剛起步,他們在林肯實驗室做記憶體的材料。這是一項和三價Mn有關的研究,這時候他接觸到了Li離子在固體中的遷移。後來他開始做固態陶瓷的基礎研究,在MIT的12年間,老先生開始了固態化學的學習和研究,並撰寫了兩本書:Magnetism and the Chemical Bond和Metallic Oxides(法語版是Les oxydes des métaux de transition)。
1970年,美國調整了國家政策,空軍實驗室不再支持基礎研究,MIT的實驗室呆不下去了……而且這個時候剛好爆發了能源緊張的問題,老先生決定在能源領域做些事情。福特汽車的科學家發現了一種Na離子的快速導體陶瓷,老先生就去了Stanford University調研,就是在那個時候,他確定了研究a host framework that contained tunnels的固體材料。1974年到1975年間,老先生覺得需要在能源匱乏的時候幫助不已開發國家,於是去了德黑蘭,在伊朗的Shah那裡拿到了7M美刀,和Aryamehr University一起建立了一個實驗室,從事太陽能的研究,但是伊朗政治變化,Shah下台,美國大使都成了人質,他的計畫也只有被放棄了……
然後老先生接到了Oxford University的邀請,去那邊無機實驗室做領導……但是老人家當時就上過兩門化學課,讀本科的時候的選修課學到了定量的無機化學,碩士階段學了有機化學……當時牛津的人是希望老人家做固體物理材料的背景,能夠溝通化學家和物理學家。他從事固態材料的研究能夠促進牛津的無機化學。
於是,老人家開始在牛津從事氧化物表面光電解水和;鋰離子電池嵌入-脫出材料以及甲醇燃料電池的研究。
他組裡的訪問學者Koichi Mizushima,來自University of Tokyo,發現在Co和Ni的氧化物中,Li幾乎可以完全脫出,50%-60%Li脫出的時候,結構還能夠保持穩定,並且對Li有接近4V的電壓。當時英國做電池的人對他們的研究成果不感興趣,而Sony公司正好開發出儲鋰的碳材料,於是他們合作,就有了現在的鋰離子電池。Co本來就貴,現在20%的Co都被用來做電池了,價格就更高了,老先生覺得要開發廉價的材料。
這時候Michael Thackeray從南非來到了老先生的實驗室,他介紹說他想做一些廉價的嵌Li材料,他研究過了Fe3O4的嵌鋰。當時他還不認為尖晶石結構的材料能夠有嵌Li的能力,不過他還看到了羅馬的Bruno Scrosati在這方面的研究。於是他讓Thackeray重複了實驗。發現了嵌Li過程中尖晶石結構和rock-salt結構之間的相互轉化。他們先研究的是LiMnO2的尖晶石結構,但是這個材料在電化學過程中發生相變,有Jahn-Teller效應……
於是,老先生想到了早年的一些材料,具有穩定的骨架結構的聚陰離子型的材料。如硫酸鹽、磷酸鹽、矽酸鹽、鉬酸鹽、鎢酸鹽等等。在這個理論的指導下,他的學生Akshaya Padhi做出了LiFePO4,被University of Montreal的Michel Armand相中,他覺得這個材料和自己開發的電解質很匹配,於是聯繫上了Hydro-Quebec公司買下了這個專利。這個正極材料能夠進行完全的充放電實驗,並且廉價、對環境無污染。
這個成果是在1994年做出來的,但是老人家在1986年接受了University of Texas的邀請,來到Austin,受到基金的資助,作為終身教授,他沒有在67歲退休,至今仍然在工作,研究固體氧化物燃料電池等等。他說:I am an old tiger enjoying working here。
經典語錄:
I am a solid-state scientist.
I have been better received in Europe than in the U. S.
We have got to be the dog, not the tail; we will let the physicists be the tail,not the other way around.
I have always been happy to receive good people who are funded by a home laboratory to which they will return.
Research is productive not only when it produces a commercially viable end product,but also when it increases our understanding.
I am not a typical material scientist concerned with problems of fabrication and manufacture of materials that have already been identified as suitable for a particular end use.That's why I consider myself a solid-state scientist more than a materials scientist.
When I was younger, I was moved to wonder how the U. S. could best help the underdeveloped world to come into the technological age.
I have now come to realize that providing the opportunity to come to our graduate schools and the transfer of manufacturing facilities to their countries is a much more efficient method of providing help.
It breaks your heart to see the conditions under which so many people struggle for life.