世界著名化学家

世界著名化学家 John B. Goodenough

投稿作者 漂泊

John B. Goodenough,著名电化学家,2019年诺贝尔化学奖获得者之一,被誉为“锂电池之父”。他是钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂三种最重要的锂离子电池正极材料的发明人,为锂离子电池的发展做出了不可磨灭的贡献。他是这一领域的奠基人。目前,Goodenough任美国德州大学奥斯汀分校,机械工程系终身教授。他是著名固体物理学家,主要通过研究化学、结构以及固体电子/离子性质之间的关系来设计新材料解决材料科学问题。

经历

  • 1943年,在耶鲁大学获得文学学士学位
  • 1944-1948(二战期间),作为气象专家在美国陆军航空部队工作
  • 1951-1952年,在美国西屋电气公司任研发工程师。
  • 1951年,在芝加哥大学获得理学硕士学位
  • 1952年,在芝加哥大学获得固态物理博士学位,师从Clarence Zener(齐纳二极管发明者)
  • 1952-1976年,在MIT的林肯实验室进行关于内存的材料物理研究
  • 1976年,牛津大学,教授(无机化学研究负责人),主要进行固体化学研究
  • 1980年,和SONY公司合作开发出了基于碳材料负极和锂钴氧LiCoO2材料正极的可充电离子电池
  • 1983年,和M.Thackeray等人发现了优良的正极材料锰尖晶石
  • 1986年,受聘于美国德州大学奥斯汀分校机电工程学院,终身教授,美国德州大学奥斯汀分校材料科学与工程中心负责人,负责研发固体氧化物燃料电池(SOFC)的新型电解质和电极材料,
  • 1989年,和A.Manthiram发现采用聚合阴离子的正极将产生更高的电压。
  • 1997年,开发了低成本的磷酸铁锂LixFePO4正极材料,加快了锂离子电池的商业化。

 

所获奖项及荣誉称号

  • 1967年,波尔多大学,荣誉博士学位
  • 1976年,英国皇家化学学会,百年讲师(Centenary Lecturer)
  • 1980年,英国皇家化学学会,固态化学奖
  • 1989年,Von Hippel奖,美国材料研究学会
  • 1996年,宾夕法尼亚大学卓越成就奖
  • 1997年,John Bardeen 奖,采矿、冶金和材料协会
  • 1999年,Olin Palladium奖,美国电化学学会
  • 2001年,日本国际奖,国际科学技术财团
  • 2009年,美国费米奖,美国能源部
  • 2013年,获美国国家科学奖章, 美国国家科学奖章委员会
  • 2014年,查尔斯·斯塔克·德拉普尔奖(Charles Stark Draper Prize),(被誉为工程界的诺贝尔奖),美国国家工程院
  • 2019年,诺贝尔化学奖

 

荣誉称号:

  • 美国物理学会会员
  • 美国化学学会会员
  • 美国国家工程院院士
  • 美国国家科学院院士
  • 英国皇家化学学会外籍院士
  • 印度科学院外籍院士
  • 日本物理学会会员
  • 美国国家材料咨询会成员
  • 美国科学促进协会会员
  • 美国国家研究委员会,固态科学小组成员
  • 德州大学机械工程系荣誉工程师

主要研究工作及学术成就

Goodenough教授主要的研究方向有:锂离子电池、燃料电池、氧渗透膜以及过渡金属氧化物。主要进行能量储能和转换材料研究,开发了中温固态氧化物燃料电池和氧渗透膜。同时也在从事合成新型陶瓷材料相关的工作,并进行化学和结构表征,以及高温、高压、元素分析。除此之外,Goodenough教授还从事高温超导超、电子由局部变为流动时的超巨磁阻现象的机理研究。

Goodenough教授发现的三种正极材料钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂是他所做出的最杰出的成就,这奠定了现代社会广泛使用的锂离子电池的基础,堪称一代伟人。没有他,我们现在所使用的手机电池,不过是一个“行走的炸药包”而已。

 

  • 1. Goodenough-Kanamori规则

Goodenough教授在麻省理工的林肯实验室对固体磁性进行了研究,期间首次发现了铁氧体磁芯的电流重合记忆功能,被称为Goodenough-Kanamori规律,这一发现对电子计算机的发展极为关键,并且对磁性材料以及电子材料的研究起到引导作用,也正是在这个时期写了《磁性键与化学键》和《过渡金属氧化物》两本书。并在此时接触并深入研究了锂离子在固体中的迁移规律。

 

  • 2. 发现重要的电池正极材料钴酸锂

1980年,Goodenough教授发现了钴酸锂正极材料。钴酸锂是一种层状材料,在钴酸锂晶体中,钴原子和氧原子的密排面形成了一些特殊的层状结构,而锂原子则可以在这些层与层之间快速移动,这非常有利于锂离子的脱嵌,而这正是锂离子电池工作的基础。钴酸锂正极具有较高的电压、很高的能量密度,且比容量高,综合性能非常突出,相对于金属锂来说还有较好的安全性。这一发现对于锂电池来说是一次飞跃。索尼公司将钴酸锂正极与石墨负极相结合,开发了全新的可充锂电池,这一电池迅速占据了大量的市场份额,帮助索尼成为了行业老大。

钴酸锂结构

  • 3. 发现尖晶石正极材料锰酸锂

Goodenough教授发现锰酸锂尖晶石材料在嵌锂的过程中会发生尖晶石结构和岩盐结构的转变,具有Jahn-Teller效应。这一特性使得锰酸锂可以用于制作锂电池正极,它具有低价、稳定的特性和优良的导电、导锂性能。由于它的分解温度高,且氧化性远低于钴酸锂,因此即使出现短路、过充电,也能够避免了燃烧、爆炸的危险,大大提高安全性。

 

  • 4. 发现低廉且性能优异的正极材料磷酸铁锂

1997年,Goodenough教授发现了橄榄石结构的磷酸铁锂也能实现锂的脱嵌,这又为锂离子电池行业带来了一次革命。磷酸铁锂是目前安全性最高的正极材料,它具有良好的充放电性能以及优异的电池循环寿命,而且价格低廉、对环境无污染。

同时具有低自放电的特性(库存存放寿命非常长),所以广泛应用于手机等无线便携设备、电动工具、混合动力汽车、小型电动车以及新能源系统储能,已成为当前主流的正极材料,它对全球经济产生了重要影响,并减少了温室气体的排放。

 

代表性论文

  1. Mizushima K, Jones P C, Wiseman P J, et al. LixCoO2 (0< x<-1): A new cathode material for batteries of high energy density[J]. Materials Research Bulletin, 1980, 15(6): 783-789.
  2. Thomas M, Bruce P G, Goodenough J B. Lithium mobility in the layered oxide Li1−xCoO2[J]. Solid State Ionics, 1985, 17(1): 13-19.
  3. Thackeray M M, David W I F, Bruce P G, et al. Lithium insertion into manganese spinels[J]. Materials Research Bulletin, 1983, 18(4): 461-472.
  4. Padhi A K, Nanjundaswamy K S, Goodenough J B. Phospho‐olivines as positive‐electrode materials for rechargeable lithium batteries[J]. Journal of the electrochemical society, 1997, 144(4): 1188-1194.
  5. Padhi A K, Nanjundaswamy K S, Masquelier C, et al. Mapping of transition metal redox energies in phosphates with NASICON structure by lithium intercalation[J]. Journal of the Electrochemical Society, 1997, 144(8): 2581-2586.

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