從鋰電池之父Goodenough科研著作看鋰離子電池研究進展

來源：第一電網作者：shaug新能源負責人

約翰·班尼斯特·古德足夠（1922年7月25日出生于德國耶拿）是一位著名的學者和固態物理學家。他目前是德克薩斯大學奧斯汀分校的機械工程和材料科學教授。他在鋰離子電池正極材料和確定材料磁性過轉換信號的Goodenough Kanamori規則方面做出了杰出貢獻。2014年，Goodenough教授因其在鋰離子電池領域的貢獻而獲得查爾斯·斯塔克·德雷珀獎。本文將從Goodenough一生中不同階段發表的文章和研究內容等方面探討他的學者生涯，并從他在鋰離子電池材料研發方面的成就中重點介紹過去30年鋰離子電池的發展。

第一部分耶魯大學；

芝加哥大學（1940-1952）

Goodenough年輕時在格羅頓寄宿學校學習。盡管他童年時有閱讀困難，但他最終順利畢業并獲得了獎學金。1940年進入耶魯大學數學系，1944年以優異成績畢業于耶魯大學。他是耶魯大學骷髏兄弟會的成員。在那之后，他參加了第二次世界大戰。二戰后回國，1952年在芝加哥大學克拉倫斯·澤納教授的指導下進行物理研究。他的畢業論文題目是“六方金屬晶體中緊密堆積的變化理論”。澤納教授是美國著名的應用物理學教授。他在超導、軟物質、冶金等領域取得了巨大成就。齊納二極管是他記憶中命名的電子器件。

第二部分麻省理工學院（1953年-1975年）

從芝加哥大學畢業后，Goodenough來到麻省理工學院，成為林肯實驗室的一名研究科學家。在此期間，他是一個開發隨機存取磁存儲器（RAM）的跨學科團隊的成員。他在RAM的研究工作使他發展了氧化材料中的協同軌道有序（也稱為組合Jahn-Teller變形）的概念，然后他制定了材料的磁超交換標記規則，即現在所說的Goodenough Kanamori規則。

早在1934年就提出了JT效應。1955年，當Goodenough研究磁性晶體的財產時，他發現了一系列磁性晶體的特殊性。1960年，在Goodenough等人的工作基礎上，Kanamori發表了第一部關于合并JT效應的著作，該著作引入了現代理論中的許多重要因素。這包括使用偽自旋符號來討論軌道有序性，以及使用JT效應來討論磁性的重要性，磁性與自旋-軌道耦合以及畸變和晶格應變之間的耦合相競爭。Goodenough于1995年發表在《物理評論》上的題為“共價在鈣鈦礦型錳酸鹽[la，m（ii）]MnO3中的作用理論”的文章迄今已被引用2421次，堪稱Goodenough的早期經典。

在麻省理工學院，Goodenough不僅研究了JT效應和磁性晶體的組合，還研究了包括高效電化學工廠和氧化物工程在內的工作。從1960年到1975年，他對鈉離子的快速傳輸骨架進行了NASICON

NASICON結構圖

Sn摻雜氧化銦薄膜的X射線光電子能譜研究兩項重要任務。NASICON骨架結構化合物的原型是NaZr2P3O12，它由具有相同頂點的ZrO6八面體和PO4四面體的剛性氧化物骨架組成。骨架中密集堆積的大量堿離子通過低傳輸能壘的通道有效連接。NASICON結構允許在Zr和P位置進行廣泛的離子置換，這使得構建多功能固體骨架系列成為可能。該系列NASICON材料具有高的熱穩定性和化學穩定性，以及低/負熱膨脹。

第三部分牛津（1976-1985）

20世紀70年代末和80年代初，Goodenough前往牛津大學，擔任牛津大學無機化學實驗室負責人，在那里他確定并開發了LixCoO2作為鋰離子電池的正極材料，該材料目前廣泛用于便攜式電池。盡管鋰離子電池在1990年被索尼商業化，但Goodenough仍然被廣泛認為是鋰離子電池的創始人。它非常有趣，值得思考。在來到牛津之前，Goodenough的研究領域并不涉及能源，那么研究方向的變化是從哪里來的呢？

一種理論認為，世界能源研究的興起始于1973年，阿拉伯國家的石油禁運使人們相信石油危機即將到來，因此新能源的研發又回到了人們的視野中。20世紀70年代實際上可以被視為能源相關研究的起點。在這股浪潮下，當時還在麻省理工學院的Goodenough也投身于這一領域的研究。然而，由于其所在的麻省理工學院林肯實驗室由美國空軍資助，而且資助條款明確規定實驗室的研究內容需要由空軍指定，Goodenough在麻省理工大學這一領域的工作非常有限。此時，搖椅模型的鋰離子嵌入電子……

是第一次提出。1976年，在美孚埃克森公司工作的英國科學家斯坦·惠廷厄姆提出了使用二硫化鈦層狀材料作為鋰嵌入材料來實現鋰離子嵌入和脫嵌的概念，該工作發表在《科學》雜志上。然而，這種材料制成的電池存在一些問題，如穩定性差和高爆炸性，阻礙了其發展。一年后的1977年，賓夕法尼亞大學的SamarBasu發現鋰離子可以嵌入石墨中，形成LiC66的嵌入結構。1981年，貝爾實驗室制備了一種商業陽極石墨材料，可以取代金屬鋰。

在一次偶然的機會得知牛津大學化學系無機實驗室招聘的消息后，只有大學化學基礎知識的Goodenough憑借其在晶體材料研究方面的工作，有幸成為牛津無機實驗室的負責人。

照片拍攝于1982年，牛津無機實驗室，Goodenough第一排左二。

1976年來到牛津后，Goodenough首先研究了氧化物在光敏染料中的應用，并發表了幾篇相關文章。與此同時，Goodenough也在對電池脫嵌材料進行研究。在惠廷厄姆研究的基礎上，結合他多年在氧化物方面的研究經驗，他將研究重點放在了鋰離子脫嵌氧化物上。兩年后的1980年，他的研究小組在《日本應用物理學雜志》上發表了一篇題為“用于蓄電池電極的固溶體氧化物”的文章。本文首次討論了電極脫嵌鋰離子電極材料的電化學模型。隨后，提出使用金屬氧化物代替硫化鈦作為電池正極材料。本文還首次嘗試使用鋰鈷氧化物作為電池正極，并用電池模具對該材料進行了測試，并與鈷鈉等材料進行了比較。結論如下：

由三元材料（A、M、O、A為堿金屬）制備的AxMO2電極材料在室溫下具有電化學脫嵌過程。

鋰鈷氧材料具有高的鋰工作電壓和高的理論單位能量密度。

鋰離子在鋰鈷氧化物材料中的遷移速度足夠快，即電池可以采用緊密排列的陰極材料結構；

在一系列過渡金屬中，鈷具有最佳的電化學財產。

盡管鈉離子的遷移速度也很高，但鈉離子脫嵌過程的不同程度導致材料壽命短；

本文可以說是鋰鈷氧化物作為鋰離子電池正極材料研究的前奏。然而，由于種種原因，這篇文章并沒有在學術界引起轟動。

在1980年發表在《日本應用物理學雜志》上的文章中，給出了用于電池測試的三電極系統的模型圖。

同年，在對鈷酸鋰材料進行進一步研究后，Goodenough研究小組發表了一篇題為《Lixcoo2（0<：X≤1）：一種新的高能量密度電池正極材料》的文章，該文章迄今已被引用1500多次，其發表標志著鋰離子電池實用正極材料的零突破。

在電池材料領域，Goodenough進行了多個方向的研究。首先，在電極材料方面，他研究了其他亞金屬的鋰氧化物。1982年，題為“立陶宛氧化鐵Lixfe3O4和Lixfe2O3（0<:X≤2）的結構表征，研究了鋰氧化鐵化合物的結構。1983年，研究了α-Fe2O3在高溫下的鋰嵌入過程，1985年，他們進一步研究了鋰鐵氧化物的結構和磁性結果表明，在室溫下，鋰鐵氧化物中不會發生鐵的晶格脫落，但Lixfe3O4（X>：0.5）在室溫下會被氧化并剝落。

鋰鐵氧化物尖晶石，圖中只顯示了部分結構。

除了鐵和鋰氧化物外，Goodenough等人還研究了鋰錳氧化物材料、鋰鈦氧化物材料、鈦釩氧化物材料和鋰稀土硒碲化合物。事實上，通過文章的發表，可以看出課題組對不同材料的研究過程是有模型的。以鋰錳氧化物材料的研究為例，首先通過第一步合成并表征材料，然后進行鋰嵌入試驗以驗證電池材料的可用性，然后通過X射線粉末衍射和電化學測試進一步表征了鋰嵌入過程中的晶格變化。最后發現，鋰錳氧化物是一種穩定的材料，具有優異的導電性和鋰導電性，并且其分解溫度高，其氧化性遠低于鋰鈷氧化物。這樣一套研究流程也適用于同時期的其他材料，如鋰鈦氧化物材料，而這些材料的共同點是，這些不同的材料都是具有相同尖晶石晶體結構的鋰金屬氧化物三元化合物。

除了對材料的進一步研究，在牛津的這段時間里，Goodenough研究了無機光敏染料、金屬氧化物和硫化鐵的光催化、電極測試方法、新的研究方法、電池性能測試、燃料電池和金屬空氣電池等。1982年，該小組通過三電極固體燃料電池開展了評估工作電極財產的工作，并于1984年利用漫反射光譜研究了鋰鈦尖晶石的結構。同年，他們通過交流阻抗法對離子在固體中的快速傳導、電極材料的性能、磁共振法對正離子在電極上的分布、層狀鋰鈷氧化物材料中的鋰離子遷移率以及穆斯堡爾譜對鋰鐵氧化物材料進行了一系列研究。1985年，Goodenough開始研究超導氧化物。

正是在牛津的10年里，Goodenough完成了他科研生涯中最具突破性的研究，可以說是諾貝爾獎級別的研究，并為鋰離子電池的發展做出了杰出貢獻。鋰鈷氧化物正極材料的發現為索尼公司鋰離子電池的商業化提供了基礎。盡管Goodenough本人在鋰離子電池的開發中發揮了先鋒作用，但當時牛津大學的工作人員并不認為鋰鈷氧化物材料具有商業價值，因此Goodenough的專利申請被駁回。最終，該專利被移交給了英國原子能研究所。Goodenough自己并沒有從照明的商業化中獲得專利費……

um離子電池。盡管如此，他仍然被認為是鋰離子電池發展的關鍵人物。來源：第一電網作者：shaug新能源負責人

約翰·班尼斯特·古德足夠（1922年7月25日出生于德國耶拿）是一位著名的學者和固態物理學家。他目前是德克薩斯大學奧斯汀分校的機械工程和材料科學教授。他在鋰離子電池正極材料和確定材料磁性過轉換信號的Goodenough Kanamori規則方面做出了杰出貢獻。2014年，Goodenough教授因其在鋰離子電池領域的貢獻而獲得查爾斯·斯塔克·德雷珀獎。本文將從Goodenough一生中不同階段發表的文章和研究內容等方面探討他的學者生涯，并從他在鋰離子電池材料研發方面的成就中重點介紹過去30年鋰離子電池的發展。

第一部分耶魯大學；

芝加哥大學（1940-1952）

Goodenough年輕時在格羅頓寄宿學校學習。盡管他童年時有閱讀困難，但他最終順利畢業并獲得了獎學金。1940年進入耶魯大學數學系，1944年以優異成績畢業于耶魯大學。他是耶魯大學骷髏兄弟會的成員。在那之后，他參加了第二次世界大戰。二戰后回國，1952年在芝加哥大學克拉倫斯·澤納教授的指導下進行物理研究。他的畢業論文題目是“六方金屬晶體中緊密堆積的變化理論”。澤納教授是美國著名的應用物理學教授。他在超導、軟物質、冶金等領域取得了巨大成就。齊納二極管是他記憶中命名的電子器件。

第二部分麻省理工學院（1953年-1975年）

從芝加哥大學畢業后，Goodenough來到麻省理工學院，成為林肯實驗室的一名研究科學家。在此期間，他是一個開發隨機存取磁存儲器（RAM）的跨學科團隊的成員。他在RAM的研究工作使他發展了氧化材料中的協同軌道有序（也稱為組合Jahn-Teller變形）的概念，然后他制定了材料的磁超交換標記規則，即現在所說的Goodenough Kanamori規則。

早在1934年就提出了JT效應。1955年，當Goodenough研究磁性晶體的財產時，他發現了一系列磁性晶體的特殊性。1960年，在Goodenough等人的工作基礎上，Kanamori發表了第一部關于合并JT效應的著作，該著作引入了現代理論中的許多重要因素。這包括使用偽自旋符號來討論軌道有序性，以及使用JT效應來討論磁性的重要性，磁性與自旋-軌道耦合以及畸變和晶格應變之間的耦合相競爭。Goodenough于1995年發表在《物理評論》上的題為“共價在鈣鈦礦型錳酸鹽[la，m（ii）]MnO3中的作用理論”的文章迄今已被引用2421次，堪稱Goodenough的早期經典。

在麻省理工學院，Goodenough不僅研究了JT效應和磁性晶體的組合，還研究了包括高效電化學工廠和氧化物工程在內的工作。從1960年到1975年，他對鈉離子的快速傳輸骨架進行了NASICON

NASICON結構圖

Sn摻雜氧化銦薄膜的X射線光電子能譜研究兩項重要任務。NASICON骨架結構化合物的原型是NaZr2P3O12，它由具有相同頂點的ZrO6八面體和PO4四面體的剛性氧化物骨架組成。骨架中密集堆積的大量堿離子通過低傳輸能壘的通道有效連接。NASICON結構允許在Zr和P位置進行廣泛的離子置換，這使得構建多功能固體骨架系列成為可能。該系列NASICON材料具有高的熱穩定性和化學穩定性，以及低/負熱膨脹。

第三部分牛津（1976-1985）

20世紀70年代末和80年代初，Goodenough前往牛津大學，擔任牛津大學無機化學實驗室負責人，在那里他確定并開發了LixCoO2作為鋰離子電池的正極材料，該材料目前廣泛用于便攜式電池。盡管鋰離子電池在1990年被索尼商業化，但Goodenough仍然被廣泛認為是鋰離子電池的創始人。它非常有趣，值得思考。在來到牛津之前，Goodenough的研究領域并不涉及能源，那么研究方向的變化是從哪里來的呢？

一種理論認為，世界能源研究的興起始于1973年，阿拉伯國家的石油禁運使人們相信石油危機即將到來，因此新能源的研發又回到了人們的視野中。20世紀70年代實際上可以被視為能源相關研究的起點。在這股浪潮下，當時還在麻省理工學院的Goodenough也投身于這一領域的研究。然而，由于其所在的麻省理工學院林肯實驗室由美國空軍資助，而且資助條款明確規定實驗室的研究內容需要由空軍指定，Goodenough在麻省理工大學這一領域的工作非常有限。此時，搖椅模型的鋰離子嵌入電子……

是第一次提出。1976年，在美孚埃克森公司工作的英國科學家斯坦·惠廷厄姆提出了使用二硫化鈦層狀材料作為鋰嵌入材料來實現鋰離子嵌入和脫嵌的概念，該工作發表在《科學》雜志上。然而，這種材料制成的電池存在一些問題，如穩定性差和高爆炸性，阻礙了其發展。一年后的1977年，賓夕法尼亞大學的SamarBasu發現鋰離子可以嵌入石墨中，形成LiC66的嵌入結構。1981年，貝爾實驗室制備了一種商業陽極石墨材料，可以取代金屬鋰。

在一次偶然的機會得知牛津大學化學系無機實驗室招聘的消息后，只有大學化學基礎知識的Goodenough憑借其在晶體材料研究方面的工作，有幸成為牛津無機實驗室的負責人。

照片拍攝于1982年，牛津無機實驗室，Goodenough第一排左二。

1976年來到牛津后，Goodenough首先研究了氧化物在光敏染料中的應用，并發表了幾篇相關文章。與此同時，Goodenough也在對電池脫嵌材料進行研究。在惠廷厄姆研究的基礎上，結合他多年在氧化物方面的研究經驗，他將研究重點放在了鋰離子脫嵌氧化物上。兩年后的1980年，他的研究小組在《日本應用物理學雜志》上發表了一篇題為“用于蓄電池電極的固溶體氧化物”的文章。本文首次討論了電極脫嵌鋰離子電極材料的電化學模型。隨后，提出使用金屬氧化物代替硫化鈦作為電池正極材料。本文還首次嘗試使用鋰鈷氧化物作為電池正極，并用電池模具對該材料進行了測試，并與鈷鈉等材料進行了比較。結論如下：

由三元材料（A、M、O、A為堿金屬）制備的AxMO2電極材料在室溫下具有電化學脫嵌過程。

鋰鈷氧材料具有高的鋰工作電壓和高的理論單位能量密度。

鋰離子在鋰鈷氧化物材料中的遷移速度足夠快，即電池可以采用緊密排列的陰極材料結構；

在一系列過渡金屬中，鈷具有最佳的電化學財產。

盡管鈉離子的遷移速度也很高，但鈉離子脫嵌過程的不同程度導致材料壽命短；

本文可以說是鋰鈷氧化物作為鋰離子電池正極材料研究的前奏。然而，由于種種原因，這篇文章并沒有在學術界引起轟動。

在1980年發表在《日本應用物理學雜志》上的文章中，給出了用于電池測試的三電極系統的模型圖。

同年，在對鈷酸鋰材料進行進一步研究后，Goodenough研究小組發表了一篇題為《Lixcoo2（0<：X≤1）：一種新的高能量密度電池正極材料》的文章，該文章迄今已被引用1500多次，其發表標志著鋰離子電池實用正極材料的零突破。

在電池材料領域，Goodenough進行了多個方向的研究。首先，在電極材料方面，他研究了其他亞金屬的鋰氧化物。1982年，題為“立陶宛氧化鐵Lixfe3O4和Lixfe2O3（0<:X≤2）的結構表征，研究了鋰氧化鐵化合物的結構。1983年，研究了α-Fe2O3在高溫下的鋰嵌入過程，1985年，他們進一步研究了鋰鐵氧化物的結構和磁性結果表明，在室溫下，鋰鐵氧化物中不會發生鐵的晶格脫落，但Lixfe3O4（X>：0.5）在室溫下會被氧化并剝落。

鋰鐵氧化物尖晶石，圖中只顯示了部分結構。

除了鐵和鋰氧化物外，Goodenough等人還研究了鋰錳氧化物材料、鋰鈦氧化物材料、鈦釩氧化物材料和鋰稀土硒碲化合物。事實上，通過文章的發表，可以看出課題組對不同材料的研究過程是有模型的。以鋰錳氧化物材料的研究為例，首先通過第一步合成并表征材料，然后進行鋰嵌入試驗以驗證電池材料的可用性，然后通過X射線粉末衍射和電化學測試進一步表征了鋰嵌入過程中的晶格變化。最后發現，鋰錳氧化物是一種穩定的材料，具有優異的導電性和鋰導電性，并且其分解溫度高，其氧化性遠低于鋰鈷氧化物。這樣一套研究流程也適用于同時期的其他材料，如鋰鈦氧化物材料，而這些材料的共同點是，這些不同的材料都是具有相同尖晶石晶體結構的鋰金屬氧化物三元化合物。

除了對材料的進一步研究，在牛津的這段時間里，Goodenough研究了無機光敏染料、金屬氧化物和硫化鐵的光催化、電極測試方法、新的研究方法、電池性能測試、燃料電池和金屬空氣電池等。1982年，該小組通過三電極固體燃料電池開展了評估工作電極財產的工作，并于1984年利用漫反射光譜研究了鋰鈦尖晶石的結構。同年，他們通過交流阻抗法對離子在固體中的快速傳導、電極材料的性能、磁共振法對正離子在電極上的分布、層狀鋰鈷氧化物材料中的鋰離子遷移率以及穆斯堡爾譜對鋰鐵氧化物材料進行了一系列研究。1985年，Goodenough開始研究超導氧化物。

正是在牛津的10年里，Goodenough完成了他科研生涯中最具突破性的研究，可以說是諾貝爾獎級別的研究，并為鋰離子電池的發展做出了杰出貢獻。鋰鈷氧化物正極材料的發現為索尼公司鋰離子電池的商業化提供了基礎。盡管Goodenough本人在鋰離子電池的開發中發揮了先鋒作用，但當時牛津大學的工作人員并不認為鋰鈷氧化物材料具有商業價值，因此Goodenough的專利申請被駁回。最終，該專利被移交給了英國原子能研究所。Goodenough自己并沒有從照明的商業化中獲得專利費……

um離子電池。盡管如此，他仍然被認為是鋰離子電池發展的關鍵人物。第4部分UT Austin（1986年至今）

1986年，Goodenough從牛津大學退休后，來到德克薩斯大學奧斯汀分校繼續他的研究工作。此時他已經64歲了，但事實上，他的大部分文章都是在奧斯汀發表的。以Goodenough和JB為作者，在科學之網的核心收藏數據庫中，共可以檢索到815篇相關文章，其中621篇屬于德克薩斯大學奧斯汀分校的機構擴展。盡管Goodenough已經60歲了，但他仍然在工作。

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橄欖石結構示意圖，左側為橄欖石的理想六方緊密堆積結構，右側為實際結構。

1987-1996

1986年來到奧斯汀后，在1987年發表的八篇文章中，有五篇是關于新發現的新型超導材料YBa2Cu3O7的，其余三篇都涉及氧化鐵。從1986年到1995年，Goodenough還比較了各種電極材料。例如，1989年，他對鋰銣氧化物、鋰鉬氧化物、缺陷硫尖晶石等許多材料進行了深入研究，并于1990年提出硫尖晶石材料可能成為下一代新型陰極材料。然而，由于各種缺陷，這些材料往往無法使用。

在早期對鋰、鐵和氧的研究證明僅靠鐵無法滿足電池電極的要求后，他們開始嘗試設計鐵和其他金屬嵌入鋰的材料。1985年中期，一項工作討論并比較了硫酸鐵骨架、鉬酸鐵骨架和鎢酸鐵骨架的鋰嵌入能力，發現用聚合陰離子代替氧陰離子的正極會產生更高的電壓。因此，從1987年到1995年，他的團隊先后對由鐵、其他金屬和非金屬組成的氧化物晶體的財產進行了表征和研究，如硫酸鐵、鉬酸鐵、鎢酸鐵和釩鐵氧化物。除了鐵，90年后，Goodenough的團隊還研究了第一個子組的材料，如釩酸鋰和鎳酸鋰。

雖然鋰離子電池的研究沒有取得重大進展，但Goodenough在1992-1996年將研究重點放在了超導材料、燃料電池的氧陰離子電解質和燃料電池中質子交換膜材料的設計上。

一般來說，在他第一次來到奧斯汀的前10年里，盡管Goodenough開展了許多方面的研究工作，但與他之前的工作相比，這些工作的影響相對較小，沒有進行突破性的工作。這可以從這一時期被引用最多的兩篇文章遠遠少于其他時期的文章中看出。

1997-2007

經過10年的低科學研究，Goodenough在1997年取得了一個良好的開端。同年4月，一篇題為“Phos-pho-橄欖石作為可回收鋰電池的正極材料”的文章發表在《電化學研究所》雜志上。根據Web of Science的統計，該文章被引用了4475次，而根據ECS的統計，它被引用了7057次。本文首次提出并驗證了使用橄欖石結構的磷酸亞鐵鋰材料作為鋰離子電池正極的想法。

回顧Goodenough的研究歷史，自鈷酸鋰正極材料提出以來，對鐵相關材料的研究一直沒有停止。重要的原因是鐵含量豐富且價格低廉，而其他陰極亞族金屬材料含量低且價格昂貴。但是鐵的缺點也是顯而易見的。Fe2+/Fe3+的氧化還原能遠低于鋰金屬的費米能級，這導致由Fe2+/Fe3+組成的電極材料與負極之間的開路電壓很高，從而引發了一系列問題。然而，Fe3+/Fe2+的氧化還原能與其過于接近，這導致電池的開路電壓較低。當氧離子被硫、鹵素和羥基部分或完全取代后，材料的財產太差、不穩定或對鋰的電壓太低。然而，使用具有聚陰離子骨架結構的硫酸鹽、磷酸鹽、砷酸鹽甚至鉬酸鹽，可以將Fe3+/Fe2+的氧化還原能降低到適用范圍內。這是因為聚…中具有強極性的氧中心原子共價鍵……

離子結構有效地降低了氧和鐵的共價鍵合傾向，并有效地還原了鐵。聚陰離子越穩定，Fe3+/Fe2+的氧化還原能越低，即電極電勢越高。對于那些具有NASICON骨架的人（NASICON是鈉超離子導體的縮寫），通常指化學式為Na1+xzr2sixp3-XO12，0<：x<；

3的固體化合物。但在更廣泛的意義上，它也被用來指代具有Na、Zr和/或Si被等效元素取代的結構的磷酸亞鐵鋰材料。聚陰離子骨架的存在導致鐵氧體六面體的分離，降低了鋰離子的遷移率，不能用作電極材料。在本章中，Goodenough等人發現了一種具有有序橄欖石結構的磷酸亞鐵鋰晶體，其中鐵氧體六面體在同一邊緣相互連接。這種結構完美地平衡了磷酸鐵鋰電極的氧化還原能與晶體中的鋰離子遷移率，并且這種材料比鈷酸鋰更便宜、更安全，因此在未來20年內得到了極大的發展。

在這篇具有里程碑意義的文章發表一個月后，Goodenough Group在同一期刊上進一步發表了一篇題為“結構對磷酸鐵中Fe3+/Fe2+氧化還原對的影響”的文章。通過實驗驗證和理論計算，進一步研究了四種磷酸亞鐵鋰材料Li3Fe2（PO4）3、LiFeP2O7、Fe2（P2O7）2和LiFePO4的晶體結構與電極財產之間的關系。結果表明，LiFePO4具有最大的鋰電勢，這與費米能級結果一致。同年8月，研究小組繼續朝著這個方向進行研究。通過研究鋰嵌入過程，比較了五種含有NASICON結構磷酸鹽的過渡金屬材料的氧化還原能，結果發表在電化學雜志上。本文給出了三種有前景的MASICON結構陰極材料，即釩、鈦和鐵。1998年，具有3D骨架結構的磷酸亞鐵鋰材料Li3Fe2（XO4）3（X=P，As）被提出作為電池正極材料。

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Li3Fe2（PO4）3、LiFeP2O7、Fe2（P2O7）2和LiFePO4的Li-P勢和費米能級圖。

磷酸亞鐵鋰的工作發表后，從1998年到2007年，Goodenough的研究小組專注于探索燃料電池的固體氧離子電解質、超導材料和超級電容器的特殊性等，對鋰離子電池的電極材料沒有太多的工作，主要集中在磷酸亞鐵鋰材料的改進和材料的衰減方面。例如，在一項工作中，研究人員使用了化學交聯。石墨涂層的磷酸亞鐵鋰陽極涂覆在聚吡咯上，可以提高材料在高充放電速率下的穩定性和材料的比容量。在另一項關于磷酸亞鐵鋰財產機理的研究中，他們將磷酸亞鐵鋰電的各種電光磁財產歸因于材料的小磁極化子效應。

總體而言，在1997年至2007年的11年間，Goodenough在鋰離子電池領域做出了巨大貢獻，提出了一種新型電極材料橄欖石型磷酸亞鐵鋰材料，并在燃料電池等領域做出了突出貢獻。2001年，Goodenough因其對材料科學研究的巨大貢獻而獲得2001年日本獎。遺憾的是，由于專利訴訟等原因，Goodenough未能獲得開發磷酸亞鐵鋰材料的專利費。

2008-2017

在過去的10年里，科學之網核心收藏數據庫中有290篇Goodenough的文章，大約相當于1997-2007年的文章總數。Goodenough現階段已經90多歲了，但他仍在科學研究的道路上。

從2008年到2017年，Goodenough以十條評論和兩條意見的形式總結了他過去40年在電池材料領域的研究，并展望了該領域的未來。2010年，Goodenough在《材料化學雜志》上發表了一篇前瞻性文章，題為“可充電鋰電池的挑戰”。在這篇文章中，Goodenough總結了自己在該領域的研究經驗，并從成本、安全性、能量密度、放電速率和壽命等方面展望了鋰離子電池未來發展的潛在挑戰。

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在EC/DEC（1:1∶1）和1M LiPF6的電解質中，不同材料的比容量與鋰電極電勢之間的關系。

在過去的十一年里，磷酸亞鐵鋰材料……

從磷酸亞鐵鋰材料的結構、電化學特性、衍生材料的電化學財產、嵌鋰機理和材料合成等方面進行了分析，但也指出了磷酸亞鐵鋰鹽材料目前面臨的兩個主要問題：低溫性能差和能量密度低。盡管納米鐵鋰磷酸鹽材料可以提高比容量，但隨之而來的大比表面積是否會影響電極-電解質界面的物理和化學財產尚不清楚。2013年，《美國化學學會雜志》以觀點的形式發表了一篇文章，討論鋰離子電池的發展。同時，他還回顧了近60年來固態化學的發展，也從化學和材料的角度對液流電池進行了總結。

在總結工作的同時，新的研究也在進行。2008年，由于妻子的身體問題，加上他正在寫回憶錄，Goodenough在那一年沒有發表太多作品，但那一年發表的文章仍然很多。一項名為“電化學活性聚合物促進的高倍率lifepo（4）鋰可充電電池”的工作將電化學活性聚合物與磷酸亞鐵鋰材料相結合，這進一步擴展了他之前的工作。在2008年的文章中，作者進一步比較了另一種電化學活性聚合物聚苯胺與C-LiFePO4之間的相互作用，并分別比較了化學法和電沉積法制備的活性聚合物-C-LiFePO4復合材料的財產。通過電沉積獲得的材料在高充放電速率的條件下具有更高的比能和更好的穩定性，并且不需要額外的化學交聯劑。但這種方法的缺陷也是顯而易見的。這種聚合物LiFePO4的結構要求聚合物的活化能與氧化物的氧化還原能重疊，從而使聚合物可以取代部分非活性覆蓋C層，并作為鋰離子嵌入和脫嵌的客體通道，從而提高比能，提高電極性能。一旦用對鋰有更高潛力的材料替換材料，這種方法就會失敗。

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比較了由聚吡咯和聚苯胺導電聚合物制成的C-LFP復合陰極的放電容量。在0.1C充滿電后以各種速率放電以獲得數據。

除了聚合物復合電極，他還研究了硫代磷酸鈦的骨架和材料。因為鈷酸鋰或磷酸亞鐵鋰材料在放電過程中不能完全脫離框架，否則晶格會坍塌，這些材料的比容量較低。對于具有NASICON骨架的材料，鋰可以在一次放電過程中完全脫嵌，因此鈷酸鋰和磷酸亞鐵鋰的理論比容量更高。通過對LiTi2（PS4）3材料的合成和結構研究，發現該材料可以形成NASICON結構骨架，鈦原子可以對應于循環過程中鋰離子的插入和移除。另一篇論文研究了ATi2（PS4）3（A=Li/Na/Ag）與NASICON骨架的嵌鋰財產。研究發現，當A=Ag時，10個單位的鋰可以嵌入到AgTi2（PS4）3中，并且該過程是可逆的，因此它是一種理想的高比能材料。

2011年年中，Goodenough還在與金屬-空氣電池和光解水相關的析氧材料領域做出了杰出貢獻。自1983年研究鈣鈦礦型錳酸鋰材料以來，他一直在研究鈣鈦礦型材料，因為它們涉及電極材料、陽離子電解質、超導材料和許多其他與Goodenough研究相關的領域。第4部分UT Austin（1986年至今）

1986年，Goodenough從牛津大學退休后，來到德克薩斯大學奧斯汀分校繼續他的研究工作。此時他已經64歲了，但事實上，他的大部分文章都是在奧斯汀發表的。以Goodenough和JB為作者，在科學之網的核心收藏數據庫中，共可以檢索到815篇相關文章，其中621篇屬于德克薩斯大學奧斯汀分校的機構擴展。盡管Goodenough已經60歲了，但他仍然在工作。

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橄欖石結構示意圖，左側為橄欖石的理想六方緊密堆積結構，右側為實際結構。

1987-1996

1986年來到奧斯汀后，在1987年發表的八篇文章中，有五篇是關于新發現的新型超導材料YBa2Cu3O7的，其余三篇都涉及氧化鐵。從1986年到1995年，Goodenough還比較了各種電極材料。例如，1989年，他對鋰銣氧化物、鋰鉬氧化物、缺陷硫尖晶石等許多材料進行了深入研究，并于1990年提出硫尖晶石材料可能成為下一代新型陰極材料。然而，由于各種缺陷，這些材料往往無法使用。

在早期對鋰、鐵和氧的研究證明僅靠鐵無法滿足電池電極的要求后，他們開始嘗試設計鐵和其他金屬嵌入鋰的材料。1985年中期，一項工作討論并比較了硫酸鐵骨架、鉬酸鐵骨架和鎢酸鐵骨架的鋰嵌入能力，發現用聚合陰離子代替氧陰離子的正極會產生更高的電壓。因此，從1987年到1995年，他的團隊先后對由鐵、其他金屬和非金屬組成的氧化物晶體的財產進行了表征和研究，如硫酸鐵、鉬酸鐵、鎢酸鐵和釩鐵氧化物。除了鐵，90年后，Goodenough的團隊還研究了第一個子組的材料，如釩酸鋰和鎳酸鋰。

雖然鋰離子電池的研究沒有取得重大進展，但Goodenough在1992-1996年將研究重點放在了超導材料、燃料電池的氧陰離子電解質和燃料電池中質子交換膜材料的設計上。

一般來說，在他第一次來到奧斯汀的前10年里，盡管Goodenough開展了許多方面的研究工作，但與他之前的工作相比，這些工作的影響相對較小，沒有進行突破性的工作。這可以從這一時期被引用最多的兩篇文章遠遠少于其他時期的文章中看出。

1997-2007

經過10年的低科學研究，Goodenough在1997年取得了一個良好的開端。同年4月，一篇題為“Phos-pho-橄欖石作為可回收鋰電池的正極材料”的文章發表在《電化學研究所》雜志上。根據Web of Science的統計，該文章被引用了4475次，而根據ECS的統計，它被引用了7057次。本文首次提出并驗證了使用橄欖石結構的磷酸亞鐵鋰材料作為鋰離子電池正極的想法。

回顧Goodenough的研究歷史，自鈷酸鋰正極材料提出以來，對鐵相關材料的研究一直沒有停止。重要的原因是鐵含量豐富且價格低廉，而其他陰極亞族金屬材料含量低且價格昂貴。但是鐵的缺點也是顯而易見的。Fe2+/Fe3+的氧化還原能遠低于鋰金屬的費米能級，這導致由Fe2+/Fe3+組成的電極材料與負極之間的開路電壓很高，從而引發了一系列問題。然而，Fe3+/Fe2+的氧化還原能與其過于接近，這導致電池的開路電壓較低。當氧離子被硫、鹵素和羥基部分或完全取代后，材料的財產太差、不穩定或對鋰的電壓太低。然而，使用具有聚陰離子骨架結構的硫酸鹽、磷酸鹽、砷酸鹽甚至鉬酸鹽，可以將Fe3+/Fe2+的氧化還原能降低到適用范圍內。這是因為聚陰離子結構中具有強極性的氧中心原子共價鍵有效地降低了氧和鐵的共價鍵傾向，并有效地還原了鐵。聚陰離子越穩定，Fe3+/Fe2+的氧化還原能越低，即電極電勢越高。對于那些具有NASICON骨架的人（NASICON是鈉超離子導體的縮寫），通常指化學式為Na1+xzr2sixp3-XO12，0<：x<；

3的固體化合物。但在更廣泛的意義上，它也被用來指代具有Na、Zr和/或Si被等效元素取代的結構的磷酸亞鐵鋰材料。聚陰離子骨架的存在導致鐵氧體六面體的分離，降低了鋰離子的遷移率，不能用作電極材料。在本章中，Goodenough等人發現了一種具有有序橄欖石結構的磷酸亞鐵鋰晶體，其中鐵氧體六面體在同一邊緣相互連接。這種結構完美地平衡了磷酸鐵鋰電極的氧化還原能與晶體中的鋰離子遷移率，并且這種材料比鈷酸鋰更便宜、更安全，因此在未來20年內得到了極大的發展。

在這篇具有里程碑意義的文章發表一個月后，Goodenough Group在同一期刊上進一步發表了一篇題為“結構對磷酸鐵中Fe3+/Fe2+氧化還原對的影響”的文章。通過實驗驗證和理論計算，進一步研究了四種磷酸亞鐵鋰材料Li3Fe2（PO4）3、LiFeP2O7、Fe2（P2O7）2和LiFePO4的晶體結構與電極財產之間的關系。結果表明，LiFePO4具有最大的鋰電勢，這與費米能級結果一致。同年8月，研究小組繼續朝著這個方向進行研究。通過研究鋰嵌入過程，比較了五種含有NASICON結構磷酸鹽的過渡金屬材料的氧化還原能，結果發表在電化學雜志上。本文給出了三種有前景的MASICON結構陰極材料，即釩、鈦和鐵。1998年，具有3D骨架結構的磷酸亞鐵鋰材料Li3Fe2（XO4）3（X=P，As）被提出作為電池正極材料。

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Li3Fe2（PO4）3、LiFeP2O7、Fe2（P2O7）2和LiFePO4的Li-P勢和費米能級圖。

磷酸亞鐵鋰的工作發表后，從1998年到2007年，Goodenough的研究小組專注于探索燃料電池的固體氧離子電解質、超導材料和超級電容器的特殊性等，對鋰離子電池的電極材料沒有太多的工作，主要集中在磷酸亞鐵鋰材料的改進和材料的衰減方面。例如，在一項工作中，研究人員使用了化學交聯。石墨涂層的磷酸亞鐵鋰陽極涂覆在聚吡咯上，可以提高材料在高充放電速率下的穩定性和材料的比容量。在另一項關于磷酸亞鐵鋰財產機理的研究中，他們將磷酸亞鐵鋰電的各種電光磁財產歸因于材料的小磁極化子效應。

總體而言，在1997年至2007年的11年間，Goodenough在鋰離子電池領域做出了巨大貢獻，提出了一種新型電極材料橄欖石型磷酸亞鐵鋰材料，并在燃料電池等領域做出了突出貢獻。2001年，Goodenough因其對材料科學研究的巨大貢獻而獲得2001年日本獎。遺憾的是，由于專利訴訟等原因，Goodenough未能獲得開發磷酸亞鐵鋰材料的專利費。

2008-2017

在過去的10年里，科學之網核心收藏數據庫中有290篇Goodenough的文章，大約相當于1997-2007年的文章總數。Goodenough現階段已經90多歲了，但他仍在科學研究的道路上。

從2008年到2017年，Goodenough以十條評論和兩條意見的形式總結了他過去40年在電池材料領域的研究，并展望了該領域的未來。2010年，Goodenough在《材料化學雜志》上發表了一篇前瞻性文章，題為“可充電鋰電池的挑戰”。在這篇文章中，Goodenough總結了自己在該領域的研究經驗，并從成本、安全性、能量密度、放電速率和壽命等方面展望了鋰離子電池未來發展的潛在挑戰。

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在EC/DEC（1:1∶1）和1M LiPF6的電解質中，不同材料的比容量與鋰電極電勢之間的關系。

在過去的十一年里，磷酸亞鐵鋰材料……

從磷酸亞鐵鋰材料的結構、電化學特性、衍生材料的電化學財產、嵌鋰機理和材料合成等方面進行了分析，但也指出了磷酸亞鐵鋰鹽材料目前面臨的兩個主要問題：低溫性能差和能量密度低。盡管納米鐵鋰磷酸鹽材料可以提高比容量，但隨之而來的大比表面積是否會影響電極-電解質界面的物理和化學財產尚不清楚。2013年，《美國化學學會雜志》以觀點的形式發表了一篇文章，討論鋰離子電池的發展。同時，他還回顧了近60年來固態化學的發展，也從化學和材料的角度對液流電池進行了總結。

在總結工作的同時，新的研究也在進行。2008年，由于妻子的身體問題，加上他正在寫回憶錄，Goodenough在那一年沒有發表太多作品，但那一年發表的文章仍然很多。一項名為“電化學活性聚合物促進的高倍率lifepo（4）鋰可充電電池”的工作將電化學活性聚合物與磷酸亞鐵鋰材料相結合，這進一步擴展了他之前的工作。在2008年的文章中，作者進一步比較了另一種電化學活性聚合物聚苯胺與C-LiFePO4之間的相互作用，并分別比較了化學法和電沉積法制備的活性聚合物-C-LiFePO4復合材料的財產。通過電沉積獲得的材料在高充放電速率的條件下具有更高的比能和更好的穩定性，并且不需要額外的化學交聯劑。但這種方法的缺陷也是顯而易見的。這種聚合物LiFePO4的結構要求聚合物的活化能與氧化物的氧化還原能重疊，從而使聚合物可以取代部分非活性覆蓋C層，并作為鋰離子嵌入和脫嵌的客體通道，從而提高比能，提高電極性能。一旦用對鋰有更高潛力的材料替換材料，這種方法就會失敗。

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比較了由聚吡咯和聚苯胺導電聚合物制成的C-LFP復合陰極的放電容量。在0.1C充滿電后以各種速率放電以獲得數據。

除了聚合物復合電極，他還研究了硫代磷酸鈦的骨架和材料。因為鈷酸鋰或磷酸亞鐵鋰材料在放電過程中不能完全脫離框架，否則晶格會坍塌，這些材料的比容量較低。對于具有NASICON骨架的材料，鋰可以在一次放電過程中完全脫嵌，因此鈷酸鋰和磷酸亞鐵鋰的理論比容量更高。通過對LiTi2（PS4）3材料的合成和結構研究，發現該材料可以形成NASICON結構骨架，鈦原子可以對應于循環過程中鋰離子的插入和移除。另一篇論文研究了ATi2（PS4）3（A=Li/Na/Ag）與NASICON骨架的嵌鋰財產。研究發現，當A=Ag時，10個單位的鋰可以嵌入到AgTi2（PS4）3中，并且該過程是可逆的，因此它是一種理想的高比能材料。

2011年年中，Goodenough還在與金屬-空氣電池和光解水相關的析氧材料領域做出了杰出貢獻。自1983年研究鈣鈦礦型錳酸鋰材料以來，他一直在研究鈣鈦礦型材料，因為它們涉及電極材料、陽離子電解質、超導材料和許多其他與Goodenough研究相關的領域。年中，該研究小組在《科學》雜志上發表了一篇論文，題為“一種鈣鈦礦氧化物，根據分子軌道原理優化了析氧分析”。研究表明，含鋇（0.5）鍶（0.5）鈷（0.8）鐵（0.2）O（3-Delta）（BSCF）的材料在催化析氧反應（OCR）中的本征活性比常用的氧化銦材料高至少一個數量級。值得一提的是，通過研究10種不同過渡金屬材料的特性，我們可以從理論上預測……

BSCF的催化活性。本研究對金屬空氣電池和光解水的開發具有重要意義。

此外，對新型鋰離子電池材料的研究也沒有停止。這一次，Goodenough專注于固體電解質的創新。使用了30多年的有機電解質是易燃易爆的，是電池安全隱患的重要來源，而固體電解質的開發就是解決這一問題的有效方法之一。同時，固體電解質的發展也可以促進鋰金屬電池的發展，鋰金屬的比能遠高于目前的石墨陽極材料。然而，固體電解質本身存在的一系列問題阻礙了固體電解質的實際應用。理想的固體電解質應具有高鋰離子電導率、高電壓窗口和高結構強度的特性。自2011年以來，清華大學材料學院的Goodenough教授和王長安教授開始研究固體電解質。他們致力于優化石榴石骨架固體電解質的鋰離子導電性。除了石榴石晶體骨架材料外，Goodenough還研究了聚合物-無機氧化物復合固體電解質和玻璃態電解質。

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X3Y2Z3O12石榴石結構示意圖

2016年，Goodenough在《電化學學會雜志》上發表了一篇關于固體電解質的綜述。本文簡要介紹了結晶堿金屬離子導體、氧化物聚合物復合凝膠隔離材料、玻璃電解質等材料。盡管層狀鈷酸鋰和尖晶石錳酸鋰都具有高的鋰離子電導率，但層狀或尖晶石鋰離子電解質還不存在。石榴石結構的鋰離子電解質材料已被證明具有良好的鋰離子導電性。然而，石榴石固體電解質對空氣和二氧化碳敏感，并且存在薄材料的機械強度低和厚材料的導電性低的問題。在由聚陰離子代替氧組成的電解質材料中，需要使用半徑較小的過渡金屬/第三周期金屬，如Li2+x（Al1+xTi1-x）（PO4）3，以適應鋰離子的半徑。然而，Ti很容易被還原，這對固體電解質有很大的影響。氧化物聚合物復合凝膠膜是另一種有效的復合材料。聚合物骨架柔軟但堅韌，可以抑制鋰枝晶的生長。此外，復合材料的玻璃化轉變溫度約為?30?C、 使得液體電解質可以進入多孔聚合物結構。然而，這樣的復合隔膜仍然需要液體電解質，因此將存在諸如SEI生成之類的問題。

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凝膠聚合物/Al2O3復合膜在干燥狀態下和在碳酸二甲酯（DMC）溶液中浸泡1天后的不同程度的靜脈曲張。

固體電解質材料研究的另一個方面是固體-固體界面的界面化學。對于鋰金屬電池，陶瓷電解液往往因其機械財產差而無法抵抗鋰樹枝晶的生長，或者被鋰氧化成導體，導致正負極之間短路。Goodenough等人研究了LiZr2（PO4）3固體電解質，發現這種材料具有高電壓窗口、低界面阻抗，可以形成穩定的SEI膜，可以與磷酸亞鐵鋰正極和鋰金屬負極形成循環性能良好的鋰金屬電池。研究發現，鋰與電解質反應，在電解質的孔隙中形成Li8ZrO6和Li3P，鋰可以滲透這些孔隙，從而抑制鋰枝晶的生長。

第5部分。總結

回顧Goodenough先生自1952年獲得碩士學位以來的文章出版，我們可以發現一個有趣的巧合：每20年，每20年就會出版1-2部劃時代的作品。1955年，研究了為現代計算機奠定基礎的聯合JT效應。1978年，鈷酸鋰被發現，1997年，磷酸亞鐵鋰材料被提出。1997年已經是20年前的事了。也許Goodenough先生的下一個重大突破將發生在不久的將來。

Goodenough對晶體學做出了杰出的貢獻。他做出了偉大的……

在磁轉換材料、燃料電池氧離子電解質、鋰離子電池電極材料、固體電解質材料、超導材料、光敏氧化物材料等領域的研究進展。由于篇幅限制，本文主要集中在鋰離子電池的相關研究上。不難發現，Goodenough的研究不僅順應了潮流，例如1987年YBCO材料提出后，Goodenow也對這種材料進行了后續研究，而且也有獨創性的工作，例如發現了鈷酸鋰和磷酸亞鐵鋰材料。但總的來說，這些工作是基于Goodenough對晶體結構的深入研究和理解。另一點值得思考的是，Goodenough在電極材料方面的研究并非一帆風順，失敗的材料數不勝數，但正是在試錯的過程中，我們找到了可以使用的高性能材料。科學研究并不總是一帆風順的，但只要你在自己的領域有深入的研究，總結失敗的經驗，最終得出成功結果的概率，還是很大的。

縱觀Goodenough從博士畢業到今天的研究過程，研究總是需要耐心和毅力。同時，發表文章的質量并不代表作品的質量。同時，在順應研究趨勢時，我們不應盲目追隨，而是要結合自身優勢，從自己的研究經驗出發，思考自己能做些什么，而不是盲目地倉促行事，從而做出原創性和有價值的工作。最后，年齡從來都不是科學研究的極限。無論年輕人還是老年人，你都可以繼續在你熱愛的研究中大放異彩。Goodenough先生就是這方面的一個例子。

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3年中，該研究小組在《科學》雜志上發表了一篇論文，題為“一種鈣鈦礦氧化物，根據分子軌道原理優化了析氧分析”。研究表明，含鋇（0.5）鍶（0.5）鈷（0.8）鐵（0.2）O（3-Delta）（BSCF）的材料在催化析氧反應（OCR）中的本征活性比常用的氧化銦材料高至少一個數量級。值得一提的是，通過研究10種不同過渡金屬材料的特性，我們可以從理論上預測BSCF的催化活性。本研究對金屬空氣電池和光解水的開發具有重要意義。

此外，對新型鋰離子電池材料的研究也沒有停止。這一次，Goodenough專注于固體電解質的創新。使用了30多年的有機電解質是易燃易爆的，是電池安全隱患的重要來源，而固體電解質的開發就是解決這一問題的有效方法之一。同時，固體電解質的發展也可以促進鋰金屬電池的發展，鋰金屬的比能遠高于目前的石墨陽極材料。然而，固體電解質本身存在的一系列問題阻礙了固體電解質的實際應用。理想的固體電解質應具有高鋰離子電導率、高電壓窗口和高結構強度的特性。自2011年以來，清華大學材料學院的Goodenough教授和王長安教授開始研究固體電解質。他們致力于優化石榴石骨架固體電解質的鋰離子導電性。除了石榴石晶體骨架材料外，Goodenough還研究了聚合物-無機氧化物復合固體電解質和玻璃態電解質。

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X3Y2Z3O12石榴石結構示意圖

2016年，Goodenough在《電化學學會雜志》上發表了一篇關于固體電解質的綜述。本文簡要介紹了結晶堿金屬離子導體、氧化物聚合物復合凝膠隔離材料、玻璃電解質等材料。盡管層狀鈷酸鋰和尖晶石錳酸鋰都具有高的鋰離子電導率，但層狀……

尖晶石鋰離子電解質還不存在。石榴石結構的鋰離子電解質材料已被證明具有良好的鋰離子導電性。然而，石榴石固體電解質對空氣和二氧化碳敏感，并且存在薄材料的機械強度低和厚材料的導電性低的問題。在由聚陰離子代替氧組成的電解質材料中，需要使用半徑較小的過渡金屬/第三周期金屬，如Li2+x（Al1+xTi1-x）（PO4）3，以適應鋰離子的半徑。然而，Ti很容易被還原，這對固體電解質有很大的影響。氧化物聚合物復合凝膠膜是另一種有效的復合材料。聚合物骨架柔軟但堅韌，可以抑制鋰枝晶的生長。此外，復合材料的玻璃化轉變溫度約為?30?C、 使得液體電解質可以進入多孔聚合物結構。然而，這樣的復合隔膜仍然需要液體電解質，因此將存在諸如SEI生成之類的問題。

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凝膠聚合物/Al2O3復合膜在干燥狀態下和在碳酸二甲酯（DMC）溶液中浸泡1天后的不同程度的靜脈曲張。

固體電解質材料研究的另一個方面是固體-固體界面的界面化學。對于鋰金屬電池，陶瓷電解液往往因其機械財產差而無法抵抗鋰樹枝晶的生長，或者被鋰氧化成導體，導致正負極之間短路。Goodenough等人研究了LiZr2（PO4）3固體電解質，發現這種材料具有高電壓窗口、低界面阻抗，可以形成穩定的SEI膜，可以與磷酸亞鐵鋰正極和鋰金屬負極形成循環性能良好的鋰金屬電池。研究發現，鋰與電解質反應，在電解質的孔隙中形成Li8ZrO6和Li3P，鋰可以滲透這些孔隙，從而抑制鋰枝晶的生長。

第5部分。總結

回顧Goodenough先生自1952年獲得碩士學位以來的文章出版，我們可以發現一個有趣的巧合：每20年，每20年就會出版1-2部劃時代的作品。1955年，研究了為現代計算機奠定基礎的聯合JT效應。1978年，鈷酸鋰被發現，1997年，磷酸亞鐵鋰材料被提出。1997年已經是20年前的事了。也許Goodenough先生的下一個重大突破將發生在不久的將來。

Goodenough對晶體學做出了杰出的貢獻。他在磁性轉換材料、燃料電池氧離子電解質、鋰離子電池電極材料、固體電解質材料、超導材料、光敏氧化物材料等領域取得了巨大成就。由于篇幅限制，本文主要集中在鋰離子電池的相關研究上。不難發現，Goodenough的研究不僅順應了潮流，例如1987年YBCO材料提出后，Goodenow也對這種材料進行了后續研究，而且也有獨創性的工作，例如發現了鈷酸鋰和磷酸亞鐵鋰材料。但總的來說，這些工作是基于Goodenough對晶體結構的深入研究和理解。另一點值得思考的是，Goodenough在電極材料方面的研究并非一帆風順，失敗的材料數不勝數，但正是在試錯的過程中，我們找到了可以使用的高性能材料。科學研究并不總是一帆風順的，但只要你在自己的領域有深入的研究，總結失敗的經驗，最終得出成功結果的概率，還是很大的。

縱觀Goodenough從博士畢業到今天的研究過程，研究總是需要耐心和毅力。同時，發表文章的質量并不代表作品的質量。同時，在順應研究趨勢時，我們不應盲目追隨，而是要結合自身優勢，從自己的研究經驗出發，思考自己能做些什么，而不是盲目地倉促行事，從而做出原創性和有價值的工作。最后，年齡從來都不是科學研究的極限。無論年輕人還是老年人，你都可以繼續在你熱愛的研究中大放異彩。Goodenough先生就是這方面的一個例子。

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標簽：發現林肯RAM現代世紀

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