锂电池结构工程师，纪念“锂电池之父”Goodenough教授：54岁选择电化学并改变世界

据得克萨斯大学奥斯汀分校消息，当地时间6月25日，2019年诺贝尔化学奖得主约翰·古迪纳夫（John ）教授与世长辞，享年100岁。

作为诺奖历史上最高龄的获奖者，“锂电池之父”古迪纳夫教授通过他的发明改变了世界的面貌。1980年，他革命性地提出了锂的金属氧化物钴酸锂（）可以成为锂电池的阴极材料。这项突破解决了电极材料的重大难题，时至今日，我们依旧在使用这种材料制造锂电池。

今天，我们的生产生活早已与古迪纳夫教授的发明密不可分。电子产品、医疗器械、航空航天和国防、可再生能源存储、电动汽车等领域的发展，都离不开锂电池技术的支持。可以说，没有他就没有现在的“摩登时代”。现在，药明康德内容团队将通过这篇文章回顾这位“足够好”教授不断探索求知、勇于突破自我的传奇人生。

John B. 教授

先天不足，但勤能补拙

约翰·古迪纳夫于1922年7月出生于德国耶拿，在他6岁时，他的父亲从牛津大学回到了美国担任耶鲁大学宗教史的教授。在距离耶鲁大学7公里处一所占地5英亩的老房子里，古迪纳夫度过了他快乐的童年时光。他非常喜欢大自然，也喜欢在田野和树林里活动，收集各类标本。然而，在古迪纳夫7岁时，他发现了自己有阅读障碍…

是的，这位伟大的科学家在小时候并不擅长阅读。为了弥补这一缺陷，他付出了成倍的努力，自学了阅读和写作。功夫不负有心人，1934年9月，12岁的古迪纳夫带着全额奖学金进入了格罗顿学校 ——这所学校曾因优质的教学质量被《华尔街时报》列为“世界上最好的50所中学”之一。尽管古迪纳夫在刚进入这所中学时，他在所有科目中均被归在了最低的一档（共分为3档：B、A和超A）。但到他5年级时，古迪纳夫已经从B档一直升到了超A档。

中学时代的经历是古迪纳夫所有求学经历的一个缩影。从小学到博士毕业，尽管他一开始的天赋或背景都不及其他同学，但他每每都能以优异的成绩完成学业。在他诺贝尔奖获得者的自传中和其他采访中，古迪纳夫对自己是如何通过努力克服了阅读障碍和艰难的学习过程的描述只有寥寥数语，仿佛对他来说，“努力”并不是什么值得一提的事情。

兜兜转转，完成学习物理学的夙愿

1940年，18岁的古迪纳夫进入了耶鲁大学。新生时期的古迪纳夫尝试了包括伦理、美学、化学、心理学、微积分在内的多种科目，却始终未能决定未来主要的发展道路，这些似乎都不是他最感兴趣的方向。

当同龄人都渴望名利和权势时，古迪纳夫却已开始反思：成为像国王一样应有尽有的人生就有意义吗？也是在那时，古迪纳夫想明白了自己人生的意义——为创造一个更加公正的世界而服务。但他不想通过战争这种破坏性的手段来达成。

那么，该通过哪种方式来实现自己的人生意义呢？

▲二战期间年轻时的古迪纳夫教授在新英格兰海岸的航行中

二战期间的某个晚上，古迪纳夫有了答案。当时，他正作为空军基地气象站的一名气象学家驻扎在葡萄牙海岸外的亚速尔群岛上。古迪纳夫偶然间读到了 写的《科学与现代世界》。看完书后，古迪纳夫思绪万千心潮澎湃，仿佛感受到了一种使命的召唤——如果战后有机会去做研究，他觉得他应该选择学习物理。在他看来，他们那一代人的大部分智力活动都集中在科学上。而从某种意义上来说，物理学是所有自然科学的基础。

1946年的春天，机会出现了。

有赖于一位耶鲁大学数学教授的提名，24岁的古迪纳夫终于如愿以偿进入芝加哥大学做物理学研究。在他博士期间，古迪纳夫师从发明了齐纳二极管的物理学大家克拉伦斯·齐纳 （ ）教授，从而进入了固态材料科学领域。齐纳教授在最开始只教了他两个问题：“第一个问题，找到问题。第二个问题，解决它。”

古迪纳夫将这两点谨记在心，出色地完成了学业。1952年，古迪纳夫带着物理学硕士和博士学位从芝加哥大学毕业。

年过半百勇于投身新的领域，诺奖级研究应运而生

毕业后的古迪纳夫在麻省理工学院林肯实验室担任研究工程师长达24年。在那里，他专注于磁学，并为计算机存储器的发展作出了贡献。但由于古迪纳夫最感兴趣的项目预算被削减，他不得不选择了离开。

当然在这时，谁也不会想到锂电池结构工程师，此时已经年过半百的物理学博士会毅然选择投身于一个全新的领域——电化学，并开发出能够影响整个现代社会的研究成果。

1976年，在妻子的支持下，54岁的古迪纳夫选择接受牛津大学的邀请成为无机化学实验室的负责人。也是在这里，古迪纳夫开启了关于锂离子电池的研究。

▲古迪纳夫教授与妻子艾琳

那时恰逢科学界激起了一股研究电池的热潮，锂电池是当时人们提出的新型电池之一。

宾汉顿大学化学家和材料科学家斯坦利·惠廷厄姆（ ）教授率先制造出了锂电池的雏形——二硫化钛作为阴极储存锂离子，金属锂作为阳极的全新电池系统。这种电池重量轻且能量高，但棘手的是，它非常容易起火或爆炸。

造成这种安全隐患的原因是由于锂是一种特别活泼的金属，在某些充电条件下，锂离子在返回阳极的过程中会形成纤细的、针状结构的锂金属积聚物，也被称为枝晶。如果枝晶长得足够长锂电池结构工程师，纪念“锂电池之父”Goodenough教授：54岁选择电化学并改变世界，它们可以从一个电极直接长到另一个电极造成电池短路和过热，随着压力的升高甚至会爆炸。

如果问题出在电极的材料上，那是不是替换电极材料就能解决问题了呢？

在那时，古迪纳夫正在研究金属氧化物的磁性，并注意到了钴氧化物的结构与惠廷厄姆小组在其电池阴极中使用的二硫化钛的结构相似。古迪纳夫据此推断他的钴材料也可以用作电极的阴极，同时解决二硫化钛价格昂贵、与空气接触后会产生有毒的硫化氢的问题。

1980年，古迪纳夫教授的团队获得了突破，他们发现锂的金属氧化物——钴酸锂（）作为锂电池的阴极是极好的材料。一方面，它依然能释放锂离子；另一方面，它更为稳定，没有安全隐患。这解决了锂离子电池开发一半的难题。

复合材料，顾名思义就是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观或微观上组成具有新性能的材料。目前，复合材料的应用愈发广泛结构强度工程师，复合材料中碰到的强度问题也是日渐突显。今天，我们就来听强度君说一说复合材料的前世今生与强度博弈。

01 复合材料的前世今生

复合材料源于大自然，昆虫、鸟类等动物比人类更早地了解和应用了复合材料，如用泥土将植物秸秆粘接在一起构筑结实牢固的巢穴。而人类的复合材料应用同样也始于建筑，原始人利用动物的粪便、粘土、稻草和树枝等材料的混合结构来构建房屋。众所周知的古埃及金字塔，便是使用了石灰、火山灰等作粘合剂，混合砂石等作为砌料，这其实也就是最早最原始的颗粒增强复合材料。

——植物纤维泥土基复合材料燕窝

到了19世纪末，人类对于复合材料从无意识的感性向理性认识阶段发展，独木舟建造者尝试使用牛皮纸与紫胶粘合，制作纸层压板就是典型的代表。20世纪30年代合成树脂的出现更是推动了整个复合材料产业的发展，玻璃纤维和合成树脂的“复合产品”也被认为是现代复合材料的起点。

复合材料发展到今天，碳纤维树脂基复合材料为代表的先进复合材料已成为主流。先进复合材料由纤维增强体与基体组成，其中基体起到粘结、支撑、保护纤维的作用，常见基体材料有双马来酰亚胺、聚酰亚胺、环氧树脂等；纤维分布在基体中起到提高基体材料性能的作用，常见纤维增强体材料有碳纤维、玻璃纤维等。

随着复合材料技术的发展，航空飞行器复合材料的用量从最初的不足1％（DC-10），发展到现今的50％以上。复合材料的应用结构也由最初的次承力结构（襟副翼、方向舵、扰流板、起落架舱门等）发展到主承力结构（机身、机翼、尾翼、后承压框等）。目前复合材料的用量已成为衡量航空飞行器先进性的重要标志之一。

——飞行器复合材料用量的发展过程

02复合材料的强度问题

先进复合材料由于其高比强度、高比刚度、抗疲劳、耐腐蚀及可设计性等诸多优点，被广泛应用于工程结构中，尤其是航空飞行器结构。与传统金属相比，采用复合材料可使结构减重20-30%。但是，世界上没有完美的材料，复合材料也不例外，在诸多环节中不断出现的问题以及因复合材料强度问题所引起的飞行事故，使得工程师们逐渐意识到，复合材料的研发之路还有很长的路要走。

航空复合材料的抗冲击性能差是其不可回避的问题，在受冲击后复合材料层间性能非常薄弱的缺陷暴露无遗，一旦出现分层损伤，则会对结构整体性能造成严重破坏。冰雹、雷击、鸟撞等使飞机结构受损从而导致飞机解体引发灾难性事故的案例不在少数。

相比较于飞行过程中高能量的瞬间冲击结构强度工程师，【复材资讯】航空复合材料强度技术的前世今生与未来发展，日常使用、维修过程中的低能量冲击更令工程师感到头疼，事实上飞机复合材料部件最多的损伤恰恰就是在维护过程中各种碰撞、拆卸而产生的，比如维修人员身上掉落的扳手砸到结构表面造成的冲击损伤，这不经意的一瞬间足以造成内部的缺陷。而与高能量冲击不同的是，这种缺陷在外表面可能根本无迹可寻。而当你发现表面有勉强目视损伤时，可能结构内部已经受损严重，强度也骤降一半之多。

——复合材料冲击损伤与剩余压缩强度的关系

近年来，随着航空飞行器用途和使用环境的多样化，复杂极端天气，如高温、潮湿、浸润等对复合材料的影响变得愈发不可忽视。虽然复合材料中的纤维增强体对环境敏感度可以忽略，但是水分子可以通过基体扩散、纤维-树脂基体界面间的毛细作用渗透到结构中。这种“趁虚而入”的行为会降低其玻璃化转变温度，从而引起与基体密切相关的力学性能（如拉伸、压缩、层间剪切强度、挤压强度等）明显下降。因此复合材料结构必须考虑湿热环境联合作用下的强度问题。

大家最为熟悉的F-22等战斗机，由于超声速巡航需求，机身外表面长时间与空气高速摩擦产生高温，在机翼复合材料的选择上不惜使用韧性和抗冲击性能更差的双马来酰亚胺树脂基体，以获得260℃的最大工作温度。B787在发动机吊架等高温结构中，仍坚持选用钛、钢等材料。

另外，复合材料静强度和疲劳强度的分散性均高于金属，特别是疲劳强度尤为突出，因此在对复合材料结构进行疲劳验证时，除寿命分散系数外，有时还考虑载荷放大系数。

以上异于金属材料的特殊性能和特征，在力学性能表征、设计、结构强度评估与验证等方面给复合材料带来了一些特殊要求和强度问题。随着复合材料在飞机主承力结构中应用的不断扩大，这些强度问题也变得越来越突出。

03复合材料的强度力量

航空工业强度所在复合材料强度领域有一支长期从事设计、分析与试验的专业团队。主要针对航空航天、轨道交通、车辆装备及工业建筑等领域的工程应用需求，围绕复合材料耐久性/损伤容限、稳定性、连接、积木式试验及轻质多功能复合材料结构等五个专业方向，开展基础理论、技术攻关以及前沿探索等科研工作，并承担相关验证任务。

作为国内复合材料飞机结构型号研制与预先研究积木式验证的中坚力量，完成了大量的典型构件、大尺寸构件及全尺寸部件的强度验证与评估工作，具有满足适航要求的积木式验证试验技术及分析能力。

——积木式验证体系

在理论分析方面，可开展复合材料连接传载特性与连接强度分析评估、连接区设计和试验规划与评定；复合材料构件、壁板和盒段等结构稳定性分析及后屈曲强度评估；含缺陷/损伤复材疲劳寿命预计与剩余强度分析；复合材料结构修理容限和修理方法分析，可维修性设计，修理结构强度/刚度/耐久性评估等方面的技术研究。

——复合材料结构强度分析

在试验能力方面，配备1kN-等不同规格的静力和疲劳试验机20余台，具备在低温(-80℃)、室温和高温(1200℃)等不同环境条件下进行材料及结构力学性能测试的能力。自主设计研发了平直壁板双向压缩试验平台、平直壁板压-剪复合试验平台、曲板（机身壁板）拉（压）-剪-气密载荷复合加载试验平台。并拥有一系列的多通道测控系统、非接触式全场变形测量系统等关键试验条件。测试技术与自主研制的试验夹具、装置能力已达国际先进、国内领先水平。

——壁板压-剪复合载荷试验装置

随着先进飞行器结构的发展，新设计方法、新材料/工艺/结构及自动化制造设备不断涌现，未来飞机结构呈现复合材料化、整体化、结构功能一体化的特点。复合材料在设计、制造、分析及试验等方面将面临巨大的挑战及机遇，同时随着更轻质、更节能、更高效、更绿色等理念的深度融合，也给复合材料的应用提出了更高的要求。

强度所复合材料结构强度专业将紧密围绕我国军民用型号飞机发展需求，着重解决复合材料在型号研制过程中遇到的强度瓶颈技术问题，以及面向未来先进飞行器的新材料、新工艺及新结构的强度基础技术问题。以探索复合材料强度理论、创造复合材料强度技术、提供复合材料强度工具、验证复合材料强度设计为使命，支撑低成本、国产复合材料产业化发展，进一步提升我国复合材料结构强度设计、分析与评估以及试验验证等方面的技术水平，为我国工业复合材料的发展持续提供澎湃的强度力量。