Cha đẻ của pin lithium-ion: ‘Nhân chứng một ân sủng’

Cùng với hai nhà khoa học M. Stanley Whittingham và Akira Yoshino, ông là khôi nguyên giải Nobel hoá học năm 2019 về công trình phát triển pin lithium-ion.

• Phạm Vũ
  28 tháng 6, 2023

Mỗi khi chúng ta sạc điện thoại cầm tay, hoặc cắm dây nguồn vào máy tính xách tay, hoặc những năm gần đây, khi bước lên chiếc xe hơi điện, là chúng ta đang tận hưởng thành quả sáng tạo đặc biệt về pin lithium-ion của nhà khoa học John B. Goodenough. Cùng với hai nhà khoa học M. Stanley Whittingham và Akira Yoshino, ông là khôi nguyên giải Nobel hoá học năm 2019 về công trình phát triển pin lithium-ion.

Khôi nguyên Nobel cao tuổi nhất

Năm 2019, John B. Goodenough 97 tuổi, giáo sư kỹ thuật của The University of Texas là người cao tuổi nhất đoạt giải trong lịch sử Nobel.

Gregory L. Fenves, chủ tịch The University of Texas, Austin, cựu hiệu trưởng của Trường Cockrell từng nói về Goodenough khi biết tin ông nhận giải Khôi nguyên Nobel Hoá Học 2019: “Hàng tỷ người trên thế giới được hưởng lợi mỗi ngày từ những cuộc khám phá đổi mới của John. Ông ấy vừa là nhà phát minh lừng lẫy, còn là một giáo viên, người cố vấn và nhà nghiên cứu xuất sắc. Chúng tôi rất biết ơn ba thập kỷ đóng góp của John cho sứ mệnh của UT Austin.”

Tuổi đời không phải là trở ngại của nghiên cứu khoa học, mà ngược lại, là động lực để Goodenough đặt mục tiêu cho cuộc đời mình. Theo trang Nationalmedals, sau khi tình cờ nghe nói rằng hầu hết các nhà vật lý đều có những khám phá quan trọng trước khi họ bước vào tuổi trung niên, Goodenough đã đẩy nhanh quá trình nghiên cứu công nghệ pin vào những năm ông gần 50 tuổi. Sản phẩm trí tuệ của ông là một loại pin lithium-ion sạc có thể lưu trữ đủ năng lượng để cung cấp cho tất cả các dụng cụ điện tử. Đồng thời, nó đủ nhẹ và nhỏ để con người có thể mang theo bên mình.

Thật ra, mãi cho đến khi Goodenough đoạt giải khôi nguyên Nobel năm 2019, thế giới khoa học và học thuật mới thật sự biết đến ông nhiều. Cho dù lúc đó, không thiếu những gã khổng lồ điện tử đã tận dụng tối đa công trình nghiên cứu của ông. Năm 1980, trong phòng thí nghiệm tại University of Oxford, ông đã tạo ra loại pin phổ biến khắp hành tinh dành cho smartphones, máy tính xách tay, máy tính bảng, dụng cụ y tế cứu sinh, các loại xe chạy bằng điện sạch sẽ, yên tĩnh, trong đó có cả Tesla.

Phát minh của ông đã giúp cho những hành trình dài, giảm tác động của biến đổi khí hậu, một ngày nào đó không xa, có thể thay thế cho tất cả loại xe chạy bằng xăng. Và ngày đó đang đến rất gần, tính cho đến năm 2023, năm ông 100 tuổi, và cũng vừa kết thúc cuộc đời nghiên cứu khoa học ngày 26 Tháng Sáu, năm 2023.

Đứa con không mong đợi

Trong cuốn hồi ký “Nhân chứng một ân sủng” năm 2008, ông viết, ông là đứa con không mong đợi của một vị giáo sư tôn giáo theo thuyết bất khả tri của Yale University và một người mẹ mà ông chưa bao giờ gắn bó sâu đậm.

“Cuộc hôn nhân của cha mẹ tôi là một thảm kịch. Thời đó, người ta không ly hôn, đặc biệt với ai đang đấu tranh với tiếng gọi đến thánh chức và được một giám lý sùng đạo hỗ trợ. Anh trai của tôi sinh ra ở Cambridge, Massachusetts năm 1919. Cha của tôi muốn có người con thứ hai vì ông ấy tin anh của tôi sẽ không phát triển tốt nếu anh ấy là con duy nhất. Tôi sinh ra ở Jena, Đức, Tháng Bảy năm 1922 trước khi cha mẹ tôi từ Oxford trở về Hoa Kỳ. Tôi ra đời bằng phương pháp sinh mổ, và cha tôi tin rằng các bác sĩ người Đức có chuyên môn này hơn người Anh. Khi mẹ của tôi gần chuyển dạ, cha tôi đưa bà đi gặp bác sĩ trên một chiếc xe bò. Ông bác sĩ đã đi nghỉ hè. Cha tôi cầu xin một ông bác sĩ khác đển để đỡ đẻ. Sữa của mẹ tôi bị nhiễm trùng. Tôi được một y tá nuôi dưỡng bằng sữa hộp. Mẹ tôi và tôi chưa bao giờ gắn bó với nhau.” (trích một đoạn trong hồi ký “Nhân chứng một ân sủng” của John Goodenough.

Goodenough lớn lên trong thế giới không bạn bè, chỉ có một người anh, một em gái và một con chó nhỏ, một cây hoa tử đằng trước cổng nhà, một người giúp việc. Thiên kỳ diệu, huyền ảo của vùng đồi núi nơi gia đình họ ở đã giúp xoa dịu, hàn gắn những vết nứt tâm hồn của Goodenough. Sự thay đổi giữa các mùa, sắc lá đỏ vàng óng ánh của Mùa Thu chính là những niềm tin khởi đầu của Goodenough vào một ân sủng quyền năng.

Ông từng nói: “God đã làm việc rất vất vả để đặt tất cả những chiếc lá này trở lại cành cây vào mùa Xuân.”

Tuổi thơ của Goodenough là những năm tháng cô đơn, khổ sở với chứng bệnh khó đọc, và một gia đình lạnh nhạt tình cảm. Cậu bé bảy tuổi phải vật lộn với chính mình để học đọc. Goodenough đọc một cách máy móc mà không thể dễ dàng hiểu ý nghĩa của những đoạn văn. Ông thú nhận mình đã cố gắng rất nhiều để khắc phục điểm yếu đó. Ông luôn cảm thấy bất an, và điều đó chỉ giảm dần khi lớn lên.

Goodenough được gửi vào trường nội trú tư thục năm 12 tuổi, rất ít khi nhận được tin từ cha mẹ.

Năm 1940, ông vào Yale University. Khi rời nhà để bước vào đời sinh viên năm nhất, ông tự nhủ  không bao giờ nhận tiền từ cha mẹ, mặc dù chưa có kế hoạch sẽ hỗ trợ bản thân như thế nào tại Yale. Mục đích của ông là đạt kết quả tốt trong kỳ thi College Board. May mắn là sau đó, ông tìm được công việc dạy kèm cho cháu của một mục sư. Phí đi dạy đủ cho ông trang trải tiền ăn ở trong mùa Hè và trả tiền ký túc xá ở Yale cho năm học sau.

Năm 1942, Goodenough nhập ngũ. Giáo sư Toán của ông, Egbert Miles, nói với ông rằng: “Joh, đừng ghi danh vào Thuỷ Quân Lục Chiến như bạn bè của con. Quân đội cần những chàng trai xuất thân như con học ngành khí tượng học trong Lực Lượng Lục Quân Hoa Kỳ.” Ông làm theo lời khuyên của giáo sư vì không muốn đóng vai anh hùng trong chiến tranh. Quyết định này cho ông thêm một năm hoàn thành chương trình đại học.

Goodenough theo đuổi khoa học vật lý sau khi đọc trọn cuốn sách “Khoa học và Thế giới Hiện đại” của Alfred North Whitehead chỉ trong một đêm. Đêm đó, ông tự nhủ, nếu có cơ hội học cao học sau chiến tranh, ông sẽ học vật lý. Và điều này đã được thực hiện sau thời gian Goodenough phục vụ trong Quân Đội Hoa Kỳ thời Đệ Nhị Thế Chiến, với vai trò là nhà khí tượng học.

Theo đuổi khoa học

Khi chiến tranh kết thúc ở Châu Âu năm 1945, Goodenough nhận được thư mời ở lại Army, vẫn là nhà khí tượng học và sẽ được thăng cấp Đại tá. Tuy nhiên, “trách nhiệm của chúng tôi trong thời bình sẽ ít hơn thời chiến,” ông đã nghĩ như thế. Lá thư mời do đó bị từ chối.

Giữ đúng lời hứa năm xưa, Đệ Nhị Thế Chiến chấm dứt, rời quân ngũ, ông đến University of  Chicago để học cao học về Vật lý từ năm 1946 đến năm 1951. Sau đó, ông theo đuổi lấy bằng Tiến sĩ và làm việc ở MIT Lincoln Laboratory. Năm 1976, khi khoản phí hỗ trợ liên bang ở MIT của ông kết thúc, ông chuyển về Oxford để dạy học và quản lý phòng thí nghiệm hóa học. Đây là nơi ông bắt đầu nghiên cứu về các loại pin.

Goodenough tìm cách cải thiện thiết kế các pin lithium đã ra đời trước đó. Cùng với hai trợ lý, ông chế tạo cực âm bằng các lớp lithium và hợp chất vô cơ oxit coban, tạo ra các vỏ của lithium ions. Sự sắp xếp này cũng tạo ra điện áp cao hơn và làm cho pin ít bay hơi hơn. Nghiên cứu của ông thành công sau bốn năm.

Điều thú vị là ban đầu, phát minh của Goodenough không nhận được nhiều sự quan tâm. Oxford từ chối cấp bằng sáng chế cho John Goodenough và ông đã ký bản quyền cho một tổ chức nghiên cứu năng lượng nguyên tử của Anh. Trong khi đó, các nhà khoa học ở Nhật Bản và Thụy Sĩ đã phát hiện ra rằng lớp lithium được phủ carbon graphitic đã cải thiện hoạt động của cực dương.

Năm 1991, tập đoàn Sony nhận thấy tiềm năng thương mại của công nghệ mới này, đã kết hợp phát minh cực âm và cực dương carbon của Goodenough để tạo ra pin lithium-ion sạc lại an toàn đầu tiên trên thế giới. Công dụng của pin phát triển rộng khắp. Các phòng thí nghiệm đã tìm ra cách để thu nhỏ kích thước pin, ghép chúng lại với nhau và tăng sản lượng điện. Cuộc cách mạng trong các thiết bị di động không dây và các ứng dụng xe cộ bùng nổ trên khắp thế giới.

Khi nhốt mình trong phòng thí nghiệm ở Oxford, Goodenough không bao giờ ngờ rằng sẽ có một ngày, nghiên cứu của ông sẽ ảnh hưởng to lớn và tích cực đến đời sống của nhân loại. Chứng bệnh khó đọc khi xưa của cậu bé John B. Goodenough làm cho cậu né tránh môn Anh ngữ và Lịch sử để tập trung vào toán học và ngôn ngữ – sáu năm học tiếng Latinh và bốn năm học tiếng Hy Lạp, đã góp phần không nhỏ vào giải thưởng Khôi nguyên Nobel Hoá học của Tiến Sĩ John B. Goodenough.

Theo một cách hiểu nào đấy của riêng ông, ông cho rằng cuộc đời mình là “Nhân chứng một ân sủng.”