Ngày 25/6/2023, John Bannister Goodenough, đồng phát minh ra pin lithium-ion và đồng đoạt giải Nobel Hóa học 2019, đã qua đời chỉ một tháng trước sinh nhật lần thứ 101 của ông.
Cuộc đời của Goodenough rất huyền thoại: ông học chuyên ngành toán học, nghiên cứu vật lý vật liệu hơn 20 năm, chuyển nghề ở tuổi 54 và bắt đầu nghiên cứu, đồng thời phát hiện ra rằng oxit liti coban phù hợp hơn với vật liệu cực âm ở tuổi 58, phát triển sắt phốt phát ở tuổi 75, người đã phát triển pin Lithium hoàn toàn ở trạng thái rắn ở tuổi 94, đã giành được vinh dự khoa học cao nhất - giải Nobel Hóa học ở tuổi 97 và trở thành người lớn tuổi nhất đoạt giải Nobel trong lịch sử.
Goodenough từng nói: "Tôi muốn giải quyết vấn đề ô tô. Tôi muốn loại bỏ khí thải ô tô khỏi đường cao tốc trên thế giới. Tôi muốn nhìn thấy ngày này trước khi chết".
Goodenough lớn lên ở một vùng nông thôn bên ngoài New Haven, Connecticut, là con trai của một nhà sử học về tôn giáo ở Đại học Yale.
Năm 1940, Goodenough cũng vào Đại học Yale để học toán. Vào năm thứ hai, khi Chiến tranh thế giới thứ hai nổ ra, anh ấy muốn tình nguyện, nhưng giáo sư toán học đã gọi Goodenough đến văn phòng nói với anh ấy, "Đừng nộp đơn vào Thủy quân lục chiến như những sinh viên khác, chúng tôi cần một số kiến thức toán học về người để làm dự báo thời tiết chiến tranh".
Vì vậy, Goodenough, tốt nghiệp Đại học Yale năm 1944, được gửi đến một hòn đảo để làm công việc của một nhà khí tượng học. Hai năm sau, Goodenough giải ngũ và chọn học vật lý tại Đại học Chicago.
Tuy nhiên, các giáo viên tại trường đại học lúc đó đều đồng ý rằng Goodenough đã quá già và anh ấy mới tiếp xúc với vật lý nên sẽ khó đạt được thành công trong tương lai. May mắn thay, Goodenough đã không bỏ cuộc và gặp được người cố vấn, nhà vật lý Zener.
Zener đã phát minh ra diode Zener ở tuổi 30, khi ông là giáo sư về vật liệu ngưng tụ tại Đại học Chicago. Bằng cách này, Goodenough đã bước vào lĩnh vực khoa học vật liệu vật chất ngưng tụ.
Năm 1952, Goodenough lấy được bằng Tiến sĩ vật lý chất rắn thành công, sau đó được Zener đề nghị làm việc tại Phòng thí nghiệm Lincoln của MIT, chủ yếu tiến hành nghiên cứu về vật lý vật liệu cho bộ nhớ máy tính.
Thời gian lưu trú này là 24 năm. Khi làm việc tại Phòng thí nghiệm Lincoln, Goodenough đã khám phá ra quy luật trao đổi nam châm trong vật liệu, đặt nền móng cho sự phát triển của RAM (Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên). Đồng thời, anh cũng tiếp xúc với các vật liệu năng lượng và bắt đầu nghiên cứu chuyển động của các ion lithium.
Tuy nhiên, anh phải chọn rời khỏi Phòng thí nghiệm Lincoln vì ngân sách của dự án mà anh tâm đắc nhất bị cắt giảm.
Năm 1976, ở tuổi 54, Goodenough nhận lời mời từ Đại học Oxford để đứng đầu Phòng thí nghiệm Hóa học Vô cơ. Cũng tại đây, Gudinav chính thức bắt tay vào nghiên cứu của mình.
Năm 1971, sau khi Whittingham xuất bản một bài báo về vận chuyển ion nhanh ở trạng thái rắn, ông không chỉ giành được Giải thưởng Tác giả Trẻ của Hiệp hội Điện hóa, mà còn giành được sự ưu ái của Công ty Dầu khí Exxon.
Sau khi gia nhập Exxon, Whittingham và các đồng nghiệp của ông bắt đầu nghiên cứu các vật liệu siêu dẫn, bao gồm titan disulfide, có thể xen kẽ các ion.
Họ phát hiện ra rằng bằng cách xen kẽ các nguyên tử hoặc phân tử khác nhau giữa các tấm titan disulfua, họ có thể thay đổi nhiệt độ chuyển tiếp siêu dẫn. Các hợp chất kali thể hiện tính siêu dẫn cao nhất. Ông nhận ra rằng hợp chất này rất ổn định, không giống như kim loại kali nên phản ứng phải tiêu tốn nhiều năng lượng. Điều này cho thấy rằng phản ứng xen kẽ này có thể được sử dụng để lưu trữ năng lượng điện.
Trong pin, các electron phải chạy từ điện cực âm (cực dương) sang điện cực dương (cực âm) khi phóng điện. Do đó, điện cực âm phải là vật liệu dễ mất điện tử và trong số tất cả các nguyên tố, lithium là vật liệu dễ bị mất điện tử nhất.
Sau khi khám phá ra điều này, Whittingham đã tới trụ sở chính của Exxon ở New York để thảo luận về dự án. Cuộc họp kéo dài khoảng mười lăm phút trước khi nhóm quản lý đưa ra quyết định nhanh chóng: Họ sẽ sử dụng khám phá của Whittingham để phát triển một loại pin khả thi về mặt thương mại.
Vào cuối năm 1972, Exxon đã phát triển nguyên mẫu pin lithium-ion "45Ah" và nhận được bằng sáng chế vào năm sau. Nhưng trong thực tế sử dụng, Whittingham phát hiện ra rằng các sợi nhánh lithium sẽ phát triển trên điện cực âm kim loại lithium khi nó được sạc và xả nhiều lần. Những đuôi gai lithium này có thể làm đoản mạch pin và gây cháy hoặc thậm chí là nổ.
Vấn đề này đã không chờ đợi lâu.
Sau khi thay đổi nghề nghiệp, Goodenough bắt đầu nghiên cứu từ tính của oxit kim loại và nhận thấy rằng cấu trúc của oxit coban tương tự như cấu trúc của titan đioxit mà nhóm của Whittingham sử dụng làm cực âm cho pin. Do đó, ông suy luận rằng vật liệu coban cũng có thể được sử dụng làm cực âm của điện cực, đồng thời giải quyết vấn đề titan disulfua đắt tiền và tạo ra hydro sunfua độc hại sau khi tiếp xúc với không khí.
Năm 1980, Goodenough lãnh đạo nhóm phát hiện ra rằng oxit kim loại liti-lithium coban oxit là một vật liệu tuyệt vời cho cực âm. Một mặt, nó vẫn có thể giải phóng các ion lithium. Mặt khác, nó cũng ổn định hơn và không có rủi ro bảo mật.
Tuy nhiên, khi Goodenough nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho Đại học Oxford, ông đã bị từ chối vì triển vọng ứng dụng rất mong manh, cuối cùng ông phải bán lại bằng sáng chế thiết kế cho Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Năng lượng Nguyên tử Anh với giá rất rẻ.
Mặc dù Goodenough đã phát triển được vật liệu cực âm phù hợp, nhưng lợi nhuận của công nghệ này vẫn còn ít do vật liệu cực dương chưa được cải thiện về cơ bản.
Năm 1985, Akira Yoshino và các đồng nghiệp ã sử dụng than cốc dầu mỏ làm vật liệu cực dương để giải quyết các vấn đề còn lại trong quá trình phát triển pin lithium-ion.
Năm 1991, công ty đã kết hợp cực âm oxit coban lithium của Goodenough và cực dương của Yoshino Akira để tạo ra pin lithium-ion thương mại đầu tiên trên thế giới, loại pin này sau này được sử dụng rộng rãi trong điện thoại di động, máy tính và các sản phẩm kỹ thuật số khác.
Tiếp tục phát triển pin lithium iron phosphate và pin hoàn toàn ở trạng thái rắn, và đã giành được giải thưởng Nobel ở tuổi 97
Tuy nhiên, axit coban có nhiều nhược điểm: kém an toàn, giá thành cao, tuổi thọ ngắn.
Năm 1986, sau khi từ Đại học Oxford trở về giảng dạy tại Đại học Texas, Goodenough quyết tâm tiếp tục nghiên cứu và phát triển thành công phốt phát sắt vào năm 1995.
Mặc dù Goodenough tin rằng công nghệ cần phải được cải tiến vào thời điểm đó, công ty viễn thông Nhật Bản NTT đã ngay lập tức cử một điệp viên thương mại, Shigeto Okada, lẻn vào phòng thí nghiệm của Goodenough và đánh cắp công nghệ phốt phát sắt.
Khi Goodenough phát hiện ra rằng nhóm đã bị gián điệp Nhật Bản xâm nhập, ông vội vàng yêu cầu Đại học Texas xin cấp bằng sáng chế cho công nghệ lithium iron phosphate tại Hoa Kỳ. Ngay sau đó, ông và nhà khoa học người Pháp Michel Armand đã cùng nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho công nghệ carbon phủ lithium iron phosphate.
Tuy nhiên, đã quá muộn.
Goodenough, người bị ám ảnh bởi nghiên cứu và không có ý định bảo vệ quyền, đã cấp phép trực tiếp bằng sáng chế cho Đại học Texas, và Đại học Texas đã bán bằng sáng chế cho Südchem và Hydro-Québec ở Canada.
Sau đó, liên minh bảo vệ quyền do hai công ty thành lập bắt đầu cuộc chiến bằng sáng chế kéo dài. Anh ta không chỉ kiện công ty NTT của Nhật Bản có hành vi gián điệp ra tòa mà còn điên cuồng đăng ký bằng sáng chế trên toàn thế giới và kiếm bộn tiền bằng cách tấn công khắp nơi.
Vào năm 2018, một số phương tiện truyền thông đã hỏi Goodenough liệu ông có hối hận khi chuyển giao công nghệ đã được cấp bằng sáng chế không?
Nhưng ông nói, "Tôi chưa bao giờ nghĩ rằng nó lại có giá trị như vậy. Tất cả những gì tôi nghĩ là chế tạo pin và tạo ra một chiếc ô tô điện cạnh tranh với động cơ đốt trong".
Có lẽ chính sự hỗ trợ của niềm tin này mà Gudinav, người đã ngoài 90 tuổi, vẫn có thể lãnh đạo một nhóm kỹ sư tạo ra một loại pin thể rắn hoàn toàn với chi phí thấp mới.
Loại pin mới có mật độ năng lượng ít nhất gấp ba lần so với pin lithium-ion hiện tại, không bắt lửa, có vòng đời dài hơn và rút ngắn đáng kể tốc độ sạc từ vài giờ xuống còn vài phút.
Năm 2017, một bức thư ngỏ có tựa đề "John Goodenough Deserves A Nobel Prize" xuất hiện trên trang web CleanTechnica, mong rằng Ủy ban Nobel sẽ trao giải Nobel Hóa học cho Goodenough.
Vào thời điểm đó, Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển đã không trả lời thư ngỏ. Nhưng hai năm sau, 30 năm đã trôi qua kể từ mảnh ghép đầu tiên của công nghệ hiện đại, ba người khổng lồ của khoa học Gudenav, Whittingham và Akira Yoshino cuối cùng đã giành được giải Nobel Hóa học cho những đóng góp của họ cho nghiên cứu và phát triển. vào thời điểm đó.
Giải thưởng đã quá hạn từ lâu này cũng đã trở thành một chương có đủ sức nặng trong câu chuyện về người khổng lồ khoa học này.
Cuộc đời của Goodenough rất huyền thoại: ông học chuyên ngành toán học, nghiên cứu vật lý vật liệu hơn 20 năm, chuyển nghề ở tuổi 54 và bắt đầu nghiên cứu, đồng thời phát hiện ra rằng oxit liti coban phù hợp hơn với vật liệu cực âm ở tuổi 58, phát triển sắt phốt phát ở tuổi 75, người đã phát triển pin Lithium hoàn toàn ở trạng thái rắn ở tuổi 94, đã giành được vinh dự khoa học cao nhất - giải Nobel Hóa học ở tuổi 97 và trở thành người lớn tuổi nhất đoạt giải Nobel trong lịch sử.
Goodenough từng nói: "Tôi muốn giải quyết vấn đề ô tô. Tôi muốn loại bỏ khí thải ô tô khỏi đường cao tốc trên thế giới. Tôi muốn nhìn thấy ngày này trước khi chết".
Năm 54 tuổi, ông đi tu nửa chừng và bắt đầu nghiên cứu pin lithium
Năm 1940, Goodenough cũng vào Đại học Yale để học toán. Vào năm thứ hai, khi Chiến tranh thế giới thứ hai nổ ra, anh ấy muốn tình nguyện, nhưng giáo sư toán học đã gọi Goodenough đến văn phòng nói với anh ấy, "Đừng nộp đơn vào Thủy quân lục chiến như những sinh viên khác, chúng tôi cần một số kiến thức toán học về người để làm dự báo thời tiết chiến tranh".
Vì vậy, Goodenough, tốt nghiệp Đại học Yale năm 1944, được gửi đến một hòn đảo để làm công việc của một nhà khí tượng học. Hai năm sau, Goodenough giải ngũ và chọn học vật lý tại Đại học Chicago.
Tuy nhiên, các giáo viên tại trường đại học lúc đó đều đồng ý rằng Goodenough đã quá già và anh ấy mới tiếp xúc với vật lý nên sẽ khó đạt được thành công trong tương lai. May mắn thay, Goodenough đã không bỏ cuộc và gặp được người cố vấn, nhà vật lý Zener.
Zener đã phát minh ra diode Zener ở tuổi 30, khi ông là giáo sư về vật liệu ngưng tụ tại Đại học Chicago. Bằng cách này, Goodenough đã bước vào lĩnh vực khoa học vật liệu vật chất ngưng tụ.
Thời gian lưu trú này là 24 năm. Khi làm việc tại Phòng thí nghiệm Lincoln, Goodenough đã khám phá ra quy luật trao đổi nam châm trong vật liệu, đặt nền móng cho sự phát triển của RAM (Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên). Đồng thời, anh cũng tiếp xúc với các vật liệu năng lượng và bắt đầu nghiên cứu chuyển động của các ion lithium.
Tuy nhiên, anh phải chọn rời khỏi Phòng thí nghiệm Lincoln vì ngân sách của dự án mà anh tâm đắc nhất bị cắt giảm.
Năm 1976, ở tuổi 54, Goodenough nhận lời mời từ Đại học Oxford để đứng đầu Phòng thí nghiệm Hóa học Vô cơ. Cũng tại đây, Gudinav chính thức bắt tay vào nghiên cứu của mình.
Lithium cobalt oxide được phát hiện để giải quyết vấn đề về độ ổn định của pin lithium
Năm Goodenough chuyển nghề trùng hợp với làn sóng nghiên cứu về pin trong thế giới học thuật. Và có một cái tên phải được nhắc đến trong sự bùng nổ này: Whittingham, người cũng là một trong những người đoạt giải Nobel Hóa học với Goodenough.Năm 1971, sau khi Whittingham xuất bản một bài báo về vận chuyển ion nhanh ở trạng thái rắn, ông không chỉ giành được Giải thưởng Tác giả Trẻ của Hiệp hội Điện hóa, mà còn giành được sự ưu ái của Công ty Dầu khí Exxon.
Sau khi gia nhập Exxon, Whittingham và các đồng nghiệp của ông bắt đầu nghiên cứu các vật liệu siêu dẫn, bao gồm titan disulfide, có thể xen kẽ các ion.
Họ phát hiện ra rằng bằng cách xen kẽ các nguyên tử hoặc phân tử khác nhau giữa các tấm titan disulfua, họ có thể thay đổi nhiệt độ chuyển tiếp siêu dẫn. Các hợp chất kali thể hiện tính siêu dẫn cao nhất. Ông nhận ra rằng hợp chất này rất ổn định, không giống như kim loại kali nên phản ứng phải tiêu tốn nhiều năng lượng. Điều này cho thấy rằng phản ứng xen kẽ này có thể được sử dụng để lưu trữ năng lượng điện.
Trong pin, các electron phải chạy từ điện cực âm (cực dương) sang điện cực dương (cực âm) khi phóng điện. Do đó, điện cực âm phải là vật liệu dễ mất điện tử và trong số tất cả các nguyên tố, lithium là vật liệu dễ bị mất điện tử nhất.
Sau khi khám phá ra điều này, Whittingham đã tới trụ sở chính của Exxon ở New York để thảo luận về dự án. Cuộc họp kéo dài khoảng mười lăm phút trước khi nhóm quản lý đưa ra quyết định nhanh chóng: Họ sẽ sử dụng khám phá của Whittingham để phát triển một loại pin khả thi về mặt thương mại.
Vào cuối năm 1972, Exxon đã phát triển nguyên mẫu pin lithium-ion "45Ah" và nhận được bằng sáng chế vào năm sau. Nhưng trong thực tế sử dụng, Whittingham phát hiện ra rằng các sợi nhánh lithium sẽ phát triển trên điện cực âm kim loại lithium khi nó được sạc và xả nhiều lần. Những đuôi gai lithium này có thể làm đoản mạch pin và gây cháy hoặc thậm chí là nổ.
Vấn đề này đã không chờ đợi lâu.
Sau khi thay đổi nghề nghiệp, Goodenough bắt đầu nghiên cứu từ tính của oxit kim loại và nhận thấy rằng cấu trúc của oxit coban tương tự như cấu trúc của titan đioxit mà nhóm của Whittingham sử dụng làm cực âm cho pin. Do đó, ông suy luận rằng vật liệu coban cũng có thể được sử dụng làm cực âm của điện cực, đồng thời giải quyết vấn đề titan disulfua đắt tiền và tạo ra hydro sunfua độc hại sau khi tiếp xúc với không khí.
Năm 1980, Goodenough lãnh đạo nhóm phát hiện ra rằng oxit kim loại liti-lithium coban oxit là một vật liệu tuyệt vời cho cực âm. Một mặt, nó vẫn có thể giải phóng các ion lithium. Mặt khác, nó cũng ổn định hơn và không có rủi ro bảo mật.
Tuy nhiên, khi Goodenough nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho Đại học Oxford, ông đã bị từ chối vì triển vọng ứng dụng rất mong manh, cuối cùng ông phải bán lại bằng sáng chế thiết kế cho Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Năng lượng Nguyên tử Anh với giá rất rẻ.
Mặc dù Goodenough đã phát triển được vật liệu cực âm phù hợp, nhưng lợi nhuận của công nghệ này vẫn còn ít do vật liệu cực dương chưa được cải thiện về cơ bản.
Năm 1985, Akira Yoshino và các đồng nghiệp ã sử dụng than cốc dầu mỏ làm vật liệu cực dương để giải quyết các vấn đề còn lại trong quá trình phát triển pin lithium-ion.
Năm 1991, công ty đã kết hợp cực âm oxit coban lithium của Goodenough và cực dương của Yoshino Akira để tạo ra pin lithium-ion thương mại đầu tiên trên thế giới, loại pin này sau này được sử dụng rộng rãi trong điện thoại di động, máy tính và các sản phẩm kỹ thuật số khác.
Tiếp tục phát triển pin lithium iron phosphate và pin hoàn toàn ở trạng thái rắn, và đã giành được giải thưởng Nobel ở tuổi 97
Tuy nhiên, axit coban có nhiều nhược điểm: kém an toàn, giá thành cao, tuổi thọ ngắn.
Năm 1986, sau khi từ Đại học Oxford trở về giảng dạy tại Đại học Texas, Goodenough quyết tâm tiếp tục nghiên cứu và phát triển thành công phốt phát sắt vào năm 1995.
Mặc dù Goodenough tin rằng công nghệ cần phải được cải tiến vào thời điểm đó, công ty viễn thông Nhật Bản NTT đã ngay lập tức cử một điệp viên thương mại, Shigeto Okada, lẻn vào phòng thí nghiệm của Goodenough và đánh cắp công nghệ phốt phát sắt.
Khi Goodenough phát hiện ra rằng nhóm đã bị gián điệp Nhật Bản xâm nhập, ông vội vàng yêu cầu Đại học Texas xin cấp bằng sáng chế cho công nghệ lithium iron phosphate tại Hoa Kỳ. Ngay sau đó, ông và nhà khoa học người Pháp Michel Armand đã cùng nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho công nghệ carbon phủ lithium iron phosphate.
Tuy nhiên, đã quá muộn.
Goodenough, người bị ám ảnh bởi nghiên cứu và không có ý định bảo vệ quyền, đã cấp phép trực tiếp bằng sáng chế cho Đại học Texas, và Đại học Texas đã bán bằng sáng chế cho Südchem và Hydro-Québec ở Canada.
Sau đó, liên minh bảo vệ quyền do hai công ty thành lập bắt đầu cuộc chiến bằng sáng chế kéo dài. Anh ta không chỉ kiện công ty NTT của Nhật Bản có hành vi gián điệp ra tòa mà còn điên cuồng đăng ký bằng sáng chế trên toàn thế giới và kiếm bộn tiền bằng cách tấn công khắp nơi.
Vào năm 2018, một số phương tiện truyền thông đã hỏi Goodenough liệu ông có hối hận khi chuyển giao công nghệ đã được cấp bằng sáng chế không?
Nhưng ông nói, "Tôi chưa bao giờ nghĩ rằng nó lại có giá trị như vậy. Tất cả những gì tôi nghĩ là chế tạo pin và tạo ra một chiếc ô tô điện cạnh tranh với động cơ đốt trong".
Có lẽ chính sự hỗ trợ của niềm tin này mà Gudinav, người đã ngoài 90 tuổi, vẫn có thể lãnh đạo một nhóm kỹ sư tạo ra một loại pin thể rắn hoàn toàn với chi phí thấp mới.
Loại pin mới có mật độ năng lượng ít nhất gấp ba lần so với pin lithium-ion hiện tại, không bắt lửa, có vòng đời dài hơn và rút ngắn đáng kể tốc độ sạc từ vài giờ xuống còn vài phút.
Năm 2017, một bức thư ngỏ có tựa đề "John Goodenough Deserves A Nobel Prize" xuất hiện trên trang web CleanTechnica, mong rằng Ủy ban Nobel sẽ trao giải Nobel Hóa học cho Goodenough.
Vào thời điểm đó, Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển đã không trả lời thư ngỏ. Nhưng hai năm sau, 30 năm đã trôi qua kể từ mảnh ghép đầu tiên của công nghệ hiện đại, ba người khổng lồ của khoa học Gudenav, Whittingham và Akira Yoshino cuối cùng đã giành được giải Nobel Hóa học cho những đóng góp của họ cho nghiên cứu và phát triển. vào thời điểm đó.
Giải thưởng đã quá hạn từ lâu này cũng đã trở thành một chương có đủ sức nặng trong câu chuyện về người khổng lồ khoa học này.
