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From UChicago to Nobel: How John Goodenough sparked the wireless revolution

约翰·b·古迪诺(John B. Goodenough)还能逐字逐句地记得,第二次世界大战结束后,他来到芝加哥大学(University of Chicago)时,一位教授对他说的话:“我不理解你们这些退伍军人,”约翰·a·辛普森(John a . Simpson)说。“难道你不知道,凡是在物理学上有过重大成就的人,在你这个年龄的时候就已经做过了——你想开始做吗?”

75年后,97岁的古德诺将成为获得诺贝尔化学奖年龄最大的人。12月10日在瑞典举行的仪式上,他将因开创性的突破而受到表彰,这些突破导致锂离子电池的广泛使用,并帮助引发了无线革命。他的电池的后代现在为现代智能手机提供动力,并有可能在未来的某一天可持续地获取太阳能和风能。

Goodenough, SM ‘ 50, PhD ‘ 52,将成为与芝加哥大学有关的第92位获得诺贝尔奖的学者(加入他的几位教授,包括Enrico Fermi)。现在在奥斯汀的德克萨斯大学,古德诺仍然每天在他的实验室工作,研究新型电池。“我已经学会了接受惊喜,”他在2016年接受《芝加哥大学杂志》(University of Chicago Magazine)采访时说,“不要有先入之见,也不要封闭自己的思想,不去倾听可能奏效的方法。”

发现问题所在。解决这个问题。

古德纳夫在孩童时期曾与未确诊的诵读困难作斗争,但他自学了写作,并获得了寄宿学校的奖学金。1943年,他应征入伍,成为一名陆军气象学家。(古德诺在一位教授的建议下自愿担任这个角色;“我不想当英雄,”他笑着说。)服务给了他一种“以某种方式为每个人做些事情的需要”——即使是微小的贡献,也是为了更大的利益。

战争结束后不久,这个机会就以一份意外电报的形式出现了。联邦基金已经可以派一批精选的归国军官到芝加哥去做自然科学的研究生工作;古德诺不知道的是,一位耶鲁大学的教授提交了他的名字。

重返学校是一种挑战,尤其是学习一门几乎是全新的学科——尤其是在诺贝尔奖得主、物理学家费米的领导下。他在芝加哥大学的教授也不允许与学生合作写论文。在他们的第一次会面中,古德诺的顾问,固态物理学家克拉伦斯·齐纳告诉他:“你有两个问题。第一个是发现问题,第二个是解决问题。美好的一天。”


Goodenough做到了这两点,他的论文是关于六边形金属合金的结构是如何以及为什么会随着传导电子的浓度而改变的,并在1952年获得了博士学位。“你看,”他谈到齐纳时说,“他的工作做得很好。”

在芝加哥大学期间,古德诺结识了历史专业的研究生艾琳·怀斯曼(Irene Wiseman),并与她结了婚。怀斯曼当时也住在海德公园校区的国际公寓(International House)里。

后来,他们搬到了麻省理工学院,Goodenough的团队负责提高早期计算机的内存能力,他们开发了陶瓷磁性存储器核心,使第一个随机存取存储器(RAM)成为可能。他在麻省理工学院工作了20多年,他的工作为磁性材料的未来设计奠定了基础,并帮助了计算机的发展。

电池的开创性工作

1976年,他加入牛津大学,并将注意力转向电化学,包括电池。

同年,埃克森美孚公司获得了世界上第一个锂电池的专利,该电池由M. Stanley Whittingham设计(Goodenough与他共同获得了今年的诺贝尔奖)。惠廷厄姆的电池重量轻,电压容量大,加上它的设计可以在室温下工作,使它取得了重大突破。然而,当电池充电和放电时,一些内部表面变得粗糙,最终产生狭长的锂金属手指,导致内部短路。


Goodenough之前的工作让他认为他可以改进Whittingham的设计。1980年,他完成了锂钴氧化物阴极——电池的“正极”。与此同时,日本和瑞士的科学家们正在开发一种电池负极的模型,这种模型与古德纳夫的氧化物负极配合得很好。由此产生的锂离子电池安全提供了4伏特的电压,而惠廷汉姆电池的电压为2.4伏特。此外,当电池符合行业标准并具有内部安全功能时,过热和爆炸的风险非常低。

索尼的工程师们认识到了这一突破的潜力。1991年,他们利用Goodenough公司的阴极电池将其商业化,从而引发了移动通信革命。


Goodenough最初的锂钴氧化物阴极结构仍然用于几乎所有的个人电子产品,如智能手机和平板电脑的锂离子电池。他在技术上做了一些改进;使用锂锰氧化物阴极的电池,是在他的实验室开发的,并在芝加哥附属的阿尔贡国家实验室进行了改进,现在被用于许多电动汽车。他在20世纪90年代完成的锂铁磷酸盐阴极,在大多数现代电动工具中都能找到。

他说,当他在牛津大学摆弄不同的氧化物时,古德诺根本不知道他的电池会有什么影响。“我只是知道我应该这么做。”

这是他在德克萨斯大学仍在做的事情,在那里他与研究生和博士后一起研究一种新电池,以减少我们对化石燃料的使用,以及将它们转换成电能时产生的温室气体。目标是有一天提供一种可靠、高效的方式来储存和运输风能和太阳能。

“在不久的将来,我们必须从对化石燃料的依赖转向对清洁能源的依赖,”他说。“所以这就是我现在在死前要做的事”——留下一个更清洁、更美好的世界。

在他的年龄,古登诺补充说:“你没有多少时间了,你真的希望能够解决这个问题。”我认为我们即将能够做到这一点。”

——改编自海伦·格雷格在《芝加哥大学杂志》上发表的一篇文章。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.uchicago.edu/story/how-john-goodenough-sparked-wireless-revolution