Нобелевка по химии 2019 года присуждена за разработку литий-ионных аккумуляторов

Наука и жизньНаука

Аккумуляторы, изменившие жизнь

Доктор химических наук Татьяна Кулова, Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН.

Нобелевская премия по химии 2019 года присуждена Джону Гуденафу (John Goodenough), Майклу Стэнли Уиттингему (M. Stanley Whittingham) и Акире Ёсино (Akira Yoshino) «за разработку литий-ионных аккумуляторов». Как указал Нобелевский комитет, «своей работой они создали условия для беспроводного общества, свободного от ископаемого топлива, и тем самым принесли человечеству огромную пользу».

История химических источников тока насчитывает более двухсот лет. Нобелевские премии присуждают уже 119 лет, но только в этом, 2019 году Нобелевская премия по химии была присуждена за создание литий-ионных аккумуляторов. Литий-ионные аккумуляторы в настоящее время — наиболее популярные перезаряжаемые источники энергии благодаря своим уникальным характеристикам: высокой удельной энергии, то есть способности работать долгое время без подзарядки, длительному сроку службы, достигающему 2000 циклов заряда-разряда, и высокому напряжению, превышающему почти в два раза напряжение, например, свинцово-кислотных аккумуляторов. Первоначально литий-ионные аккумуляторы были предназначены исключительно для питания портативных приборов, но в последнее время рассматривается вопрос об их применении в различных видах транспорта и стационарных накопителях энергии.

Созданию литий-ионных аккумуляторов предшествовало изобретение литиевых аккумуляторов — электрохимических систем с металлическим литиевым отрицательным электродом. Ясно, что в таких устройствах нельзя было использовать водные электролиты. Литий — активный щелочной металл, который при взаимодействии с водой или водным электролитом бурно реагирует с образованием гидроксида лития и водорода. Эта реакция необратимая, то есть идёт только в одну сторону, а для работы аккумулятора необходимо многократное протекание реакции на электродах в прямом и обратном направлениях. Электролит литиевого аккумулятора представляет собой раствор соли лития в органическом растворителе. При контакте органического растворителя с металлическим литием на поверхности последнего образуется особый защитный слой, так называемая пассивная плёнка, которая обеспечивает в дальнейшем многократное протекание реакции растворения и осаждения лития. Наиболее известные примеры таких аккумуляторов — системы «литий — дисульфид титана» или «литий — дисульфид молибдена». В таких аккумуляторах положительным электродом служит дисульфид титана или дисульфид молибдена.

Именно эти материалы синтезировал один из лауреатов Нобелевской премии по химии 2019 года — Майкл Уиттингем. Ещё в 1970 году он обнаружил, что матрица дисульфида титана или дисульфида молибдена способна обратимо интеркалировать (включать в себя) ионы лития, которые встраивались в кристаллическую решётку при разряде аккумулятора и экстрагировались из неё при заряде. Таким образом, была показана принципиальная возможность синтеза материалов, способных обратимо интеркалировать ионы лития. Напряжение такого аккумулятора было невелико (около 2,3 В), но всё же выше, чем напряжение источников тока с водными электролитами. Основная проблема для такой системы заключалась в работе отрицательного электрода — металлического лития. При заряде подобного аккумулятора на отрицательном электроде протекает процесс осаждения лития и последний, как правило, осаждается в виде так называемых дендритов — металлических усов, которые, достигая длины нескольких микрон, способны проколоть сепаратор, разделяющий электроды, и привести к короткому замыканию между катодом и анодом. Короткое замыкание, в свою очередь, вызовет разогрев, воспламенение и взрыв аккумулятора. Именно по этой причине такие литиевые аккумуляторы не получили широкого развития.

В 1980 году профессор Джон Гуденаф с сотрудниками синтезировал литированный оксид кобальта (LiCoO2) и показал возможность обратимой электрохимической экстракции ионов лития, что было принципиально для создания литий-ионных аккумуляторов. Кристаллическая решётка синтезированного материала содержала ионы лития, находящиеся между слоями CoO6. Такая слоистая структура позволяла извлекать ионы лития из LiCoO2 при наложении анодного тока и внедрять их обратно при катодной нагрузке. Первые эксперименты по обратимой экстракции лития из LiCoO2 были проведены в паре с металлическим литием (противоэлектродом); по сути, это был литиевый аккумулятор, аналогичный ранее предложенному Майклом Уиттингемом, но с другим положительным электродом.

Преимущество литированного оксида кобальта по сравнению, например, с дисульфидом титана заключалось в том, что обратимый процесс внедрения-экстракции лития протекал при потенциалах около 4 В, что более чем на 1,5 В выше потенциала процесса обратимого внедрения — экстракции лития в дисульфид титана или дисульфид молибдена. Из школьной программы известно, что напряжение источника тока равно разности между потенциалами катода и анода, поэтому очевидно, что использование LiCoO2 в качестве катода даёт увеличение напряжения источника тока. Однако в электрохимической системе с металлическим литием это ещё больше повышало вероятность воспламенения аккумулятора в случае короткого замыкания из-за роста дендритов на литии. Именно поэтому электрохимики пытались найти другой материал для отрицательного электрода, который был бы способен обратимо аккумулировать литий при достаточно низких потенциалах.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Заповедные новости Заповедные новости

События из жизни заповедников: растения-реликты и вакцинация диких животных

Наука и жизнь
Уведите детей. Зачем силовики приходят в школу и что мы можем с этим сделать Уведите детей. Зачем силовики приходят в школу и что мы можем с этим сделать

Силовики метелят в школьном спортзале воображаемых уголовников

СНОБ
Будьте здоровы Будьте здоровы

Нейропротез для эпилептиков, микропластик в голове и нановакцина

Знание – сила
Воронцовы-Дашковы Воронцовы-Дашковы

Графский род Воронцовых-Дашковых — соединение двух благородных фамилий дворян

Дилетант
Чьим голосом вы говорите с собой? Чьим голосом вы говорите с собой?

Тест: как часто вы точно понимаете, чего на самом деле хотите

Psychologies
Как уличный художник из Нью-Йорка продает мишек Гамми на $500 000 в год Как уличный художник из Нью-Йорка продает мишек Гамми на $500 000 в год

Мишки Гамми в стиле поп-арт сделали художника WhIsBe широко известным

Forbes
Кризис старения: в поисках нового смысла Кризис старения: в поисках нового смысла

Неразрешимыми вопросами задается каждый, когда время жизни подходит к завершению

Psychologies
Высшая математика Высшая математика

Человек-легенда, математик, альпинист и собиратель livre d'artiste Марк Башмаков

Собака.ru
Сюрпри-и-и-з! Сюрпри-и-и-з!

Есть у нас традиция – каждый год 31 декабря мы ждем чудес и приключений

Лиза
Отцы и дети: как передать наследство и не поссориться со всей семьей Отцы и дети: как передать наследство и не поссориться со всей семьей

Как найти общий язык с наследниками любого возраста и аппетитов

Forbes
Провал DARPA: одна из самых больших ошибок в истории науки Провал DARPA: одна из самых больших ошибок в истории науки

Эта бомба могла стать самой мощной в истории неядерных взрывных устройств

Популярная механика
В копилку Греты: углекислота не только греет, но и отупляет В копилку Греты: углекислота не только греет, но и отупляет

Повышение уровня CO2 в земном воздухе беспокоит экологов уже давно

Популярная механика
Робот и другие помощники. 10 самых раздражающих опций в автомобилях Робот и другие помощники. 10 самых раздражающих опций в автомобилях

Сомнительные опции, за которые не имеет смысла платить

РБК
Правила жизни Патти Смит Правила жизни Патти Смит

Правила жизни певицы и поэтессы Патти Смит

Esquire
Покрас Лампас — о вандализме, визионерстве и любимой музыке Покрас Лампас — о вандализме, визионерстве и любимой музыке

Покрас Лампас рассказал о ценах на свои работы и спросе на каллиграфутуризм

РБК
6 самых переоцененных постельных практик: кажется, что они крутые, но нет 6 самых переоцененных постельных практик: кажется, что они крутые, но нет

Если мы все перестанем это делать, мало кто об этом пожалеет

Playboy
Андрей Лысиков (Дельфин) Андрей Лысиков (Дельфин)

Правила жизни Дельфина

Esquire
Под звон бокалов Под звон бокалов

Где встретить Новый год, провести праздничные каникулы или зимний отпуск?

Grazia
Об «антисемитской сволочи»: почему Путин вернулся к теме сговора с Гитлером и за что досталось Польше Об «антисемитской сволочи»: почему Путин вернулся к теме сговора с Гитлером и за что досталось Польше

Почему именно Польше достается больше всего от российской пропаганды?

Forbes
Кто они — люди будущего? От поколения альфа до альфа центавра Кто они — люди будущего? От поколения альфа до альфа центавра

Чтобы понять, каким будет завтра, нужно изучать современных детей и подростков

РБК
Симба, Добрыня, Евангелина и другие необычные имена звездных детей Симба, Добрыня, Евангелина и другие необычные имена звездных детей

Кто из российских знаменитостей давал детям необычные имена

Cosmopolitan
Ручная работа Ручная работа

Действительно ли ревитоника и фейсфитнес замедляют старение?

Добрые советы
Риск заболеть раком напрямую связан с качеством сна? Риск заболеть раком напрямую связан с качеством сна?

Может ли ночной график работы повысить вероятность возникновения онкологии

Psychologies
Оказание первой помощи при обморожении: главные правила и что нельзя делать ни в коем случае Оказание первой помощи при обморожении: главные правила и что нельзя делать ни в коем случае

Каждому нужно знать, как оказать первую помощь при обморожении

Playboy
Почему в общении с мужчинами вы теряете уверенность в себе? Почему в общении с мужчинами вы теряете уверенность в себе?

Почему уверенность в себе при общении с противоположным полом иногда подводит

Psychologies
1998 год 1998 год

Российскую экономику сбивает с ног

Esquire
Самые высокооплачиваемые волшебники-2019. Рейтинг Forbes Самые высокооплачиваемые волшебники-2019. Рейтинг Forbes

Самый высокооплачиваемый иллюзионист — Дэвид Копперфильд

Forbes
Инна Шульженко: Пелагеин двор. История тарусской женщины, спасавшей интеллигенцию в 1950-1970-х Инна Шульженко: Пелагеин двор. История тарусской женщины, спасавшей интеллигенцию в 1950-1970-х

Пелагея Стёпина принимала на постой всех, кого больше никто к себе не пускал

СНОБ
Начну с понедельника! Начну с понедельника!

Сейчас самое время обзавестись полезными привычками, как это делают наши звёзды

Здоровье
Дитя цветов Дитя цветов

Все люди делятся на тех, кто знает, и тех, кто не знает Лизу Шатилову

Maxim
Открыть в приложении