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人物介紹

John B. Goodenough教授作為一位杰出的固態(tài)物理學(xué)家，97歲時獲得2019年諾貝爾化學(xué)獎，是800多篇研究文章和8本書的作者，研究領(lǐng)域橫跨化學(xué)、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(xué)陳育明教授，西南大學(xué)徐茂文教授，華中科技大學(xué)黃云輝教授和美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Arumugam Manthiram教授以“Creating a rechargeable world”為題在Chem上發(fā)文，致敬傳奇！??！

崢嶸百年，致敬傳奇！Goodenough教授100歲生日來臨之際，昔日弟子聯(lián)合發(fā)文祝賀！

初次嘗試數(shù)學(xué)

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(yán)重的閱讀障礙，嚴(yán)重影響了他的學(xué)習(xí)，但他并沒有放棄克服自己的障礙，最終獲得獎學(xué)金從私立寄宿學(xué)校畢業(yè)，1940年進(jìn)入耶魯大學(xué)攻讀學(xué)士學(xué)位。除了他的專業(yè)，他還學(xué)習(xí)了許多不同的課程，如古典文學(xué)、哲學(xué)和化學(xué)。1944年，他以優(yōu)異的成績獲得耶魯大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)士學(xué)位。二戰(zhàn)爆發(fā)后，前往美國并擔(dān)任美國陸軍空軍氣象學(xué)家。

不惑之年轉(zhuǎn)戰(zhàn)物理

為了實(shí)現(xiàn)成為一名固態(tài)物理學(xué)家的愿望，John B. Goodenough在軍隊服役后在芝加哥大學(xué)學(xué)習(xí)物理學(xué)。然而，他的決定受到質(zhì)疑，因?yàn)樵谄渌丝磥恚魏卧?jīng)為物理學(xué)領(lǐng)域做出重大貢獻(xiàn)的人，在他這個年紀(jì)的時候已經(jīng)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(diǎn)燃白熾燈。但Goodenough堅信物理學(xué)是科學(xué)的基礎(chǔ)，并選擇在30歲時繼續(xù)攻讀博士學(xué)位。顯然，他的堅持不懈被證明是值得的。

Goodenough-Kanamori規(guī)則制定

在攻讀博士學(xué)位期間，Goodenough師從美國著名應(yīng)用物理學(xué)科學(xué)家（穩(wěn)壓二極管的發(fā)明者）Clarence Zener教授。他的導(dǎo)師用兩個啟發(fā)性的技巧來指導(dǎo)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(xù)物理研究奠定了堅實(shí)的理論基礎(chǔ)。Goodenough分別于1951年和1952年在芝加哥大學(xué)獲得固態(tài)物理學(xué)碩士和博士學(xué)位。然后，他在麻省理工學(xué)院的林肯實(shí)驗(yàn)室開始了他的職業(yè)生涯，為數(shù)字計算機(jī)開發(fā)隨機(jī)存取存儲器（RAM）。

Goodenough 與Junjiro Kanamori合作制定 Goodenough-Kanamori規(guī)則，磁交換定律在計算機(jī)的發(fā)展中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。Goodenough-Kanamori規(guī)則指出，超交換相互作用是反鐵磁性的，其中虛擬電子轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guī)則對于超交換和半共價交換都是相同的。這些磁性規(guī)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(quán)威

1967年，福特汽車公司要求Goodenough監(jiān)測鈉硫（Na-S）電池，作為他首次涉足電化學(xué)和電池研究，這個項(xiàng)目激發(fā)了他的想象力和好奇心。由于擔(dān)心美國的能源短缺問題（石油危機(jī)），Goodenough將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向能源材料。1976年，鑒于在林肯實(shí)驗(yàn)室的出色工作，牛津大學(xué)邀請54歲的Goodenough擔(dān)任無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人。

同年，英國科學(xué)家Stan Whittingham成功發(fā)表了一種可充電鋰電池，以層狀TiS₂作為正極，鋰金屬作為負(fù)極，具有最低的電化學(xué)電位（-3.04 V）。然而，電池起火和爆炸事件引發(fā)了該產(chǎn)品的大規(guī)模召回。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(shí)驗(yàn)室多年從事氧化物研究的經(jīng)驗(yàn)，Goodenough認(rèn)為已經(jīng)含有鋰的層狀金屬氧化物將是理想的正極。

1980年開發(fā)了Li_xCoO₂材料，這將使一半以上的Li⁺能夠可逆釋放。Li_xCoO₂是一種類似三明治的層狀結(jié)構(gòu)，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(shè)計原理。1982年發(fā)現(xiàn)一些尖晶石氧化物，如Fe₃O₄和α-Fe₂O₃能夠被鋰化。

次年，他們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)了另一種更具成本效益的正極材料 (Li_xMn₂O₄?)?并提出了關(guān)鍵概念。與Li_xCoO₂相比，具有成本低、充電熱穩(wěn)定性好、倍率性能好等優(yōu)勢。

為了彌補(bǔ)LiCoO₂存在兩個主要缺點(diǎn)：Co太貴，充電的Li_1-xCoO₂熱穩(wěn)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(yè)化LIBs正極材料。此外，一些關(guān)于燃料電池，液態(tài)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(rèn)為世界需要一個“超級電池”，預(yù)測最先進(jìn)的固態(tài)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(xué)科的科學(xué)和工程，在此過程中培養(yǎng)了數(shù)百名學(xué)生和博士后。他是一個非常善良和鼓舞人心的人，經(jīng)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(xué)習(xí)。他是每個人的榜樣，不僅體現(xiàn)在科學(xué)領(lǐng)域，而且在日常生活中。辛勤工作，勤奮踏實(shí)，抓住每一次機(jī)會，向傳奇學(xué)習(xí)，向傳奇致敬！

文獻(xiàn)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

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