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

Побег с аэродрома Побег с аэродрома

Циклолеты – «летающие комбайны» – становятся экономичнее квадрокоптеров

Популярная механика
Алины правят миром: 10 самых сильных женских имён Алины правят миром: 10 самых сильных женских имён

Как зовут женщин, чья сила поистине безгранична

Cosmopolitan
Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018» Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Билет в Шангри-Ла Билет в Шангри-Ла

У меня в руках вполне реальный билет… Билет в Шангри-Ла

Наука и жизнь
Дмитрий Ульянов: «На сцене и в жизни я абсолютно разный» Дмитрий Ульянов: «На сцене и в жизни я абсолютно разный»

Когда узнают на улице и подходят, не сказать, что страшно радуюсь

Караван историй
Сценарий созависимости: когда пора отделить себя от других и как это сделать Сценарий созависимости: когда пора отделить себя от других и как это сделать

Как вернуть себя и изменить вредный сценарий полной самоотдачи

Psychologies
Арестантская башня на Новой Голландии Арестантская башня на Новой Голландии

Уверяют, что поговорка в виде совета «не лезь в бутылку» родилась в Петербурге

Дилетант
Полипропилен или металлопластик: что лучше для водопровода и отопления? Полипропилен или металлопластик: что лучше для водопровода и отопления?

Сравниваем плюсы и минусы каждого материала

CHIP
Сломанные судьбы королев красоты: передозировка, авиакатастрофа и лишение титула Сломанные судьбы королев красоты: передозировка, авиакатастрофа и лишение титула

Самые печальные истории участниц конкурса красоты

Cosmopolitan
Юлия Ефременкова: «Мондезир – моя судьба» Юлия Ефременкова: «Мондезир – моя судьба»

Ведущая «Дома-2» и участник проекта организовали вечеринку в честь помолвки

StarHit
Николай Николаев: «Активный гражданин», или Как подчинить решение воле меньшинства Николай Николаев: «Активный гражданин», или Как подчинить решение воле меньшинства

Благодаря чему власть добивается эффективности?

СНОБ
Екатерина Климова: «Счастье — никуда не мчаться, никому ничего не доказывать» Екатерина Климова: «Счастье — никуда не мчаться, никому ничего не доказывать»

Чувствую, необходимо остановиться. Хотя бы чтобы представить свое будущее

Караван историй
Чек-лист: что делать с лицом, телом и волосами сразу после спорта Чек-лист: что делать с лицом, телом и волосами сразу после спорта

После тренировки кожа и волосы нуждаются в специальном уходе

Esquire
В погоне за кубиками: программа тренировок на сушку В погоне за кубиками: программа тренировок на сушку

Эффективные упражнения, которые помогут подтянуть тело и обрести рельеф!

Cosmopolitan
1996 год 1996 год

Срок первого президента РФ подошёл к концу, смута продолжается

Esquire
Михаил Боярский: «Пьется мне везде хорошо. Я с удовольствием это делал, делаю и буду делать» Михаил Боярский: «Пьется мне везде хорошо. Я с удовольствием это делал, делаю и буду делать»

Признание легендарного актера и музыканта в любви к Санкт-Петербургу.

GQ
Классическая квартира со скандинавской мебелью, 50 м² Классическая квартира со скандинавской мебелью, 50 м²

Системы хранения спланированы в каждом закутке этой квартиры

AD
Сирша Ронан. Свободное плавание Сирша Ронан. Свободное плавание

К своим двадцати пяти годам актриса была уже трижды номинирована на «Оскар»

Караван историй
Playboy подводит итоги 2019 года: 15 самых главных событий Playboy подводит итоги 2019 года: 15 самых главных событий

От главного разочарования до самой крутой хитрости 2019 года!

Playboy
Федерико Арнальди: «К салату оливье я равнодушен» Федерико Арнальди: «К салату оливье я равнодушен»

Своими вкусными открытиями делится итальянский актер Федерико Арнальди

Лиза
Константин и хаос междуцарствия Константин и хаос междуцарствия

Отречение великого князя от престола оказалось удобным поводом для мятежа

Дилетант
Слэш-люди и мультипотенциалы: почему больше не надо выбирать призвание на всю жизнь Слэш-люди и мультипотенциалы: почему больше не надо выбирать призвание на всю жизнь

Раньше профессиональный путь человека был предопределен его выбором в юности

Forbes
Путь «диктатора» Путь «диктатора»

Почему князь Трубецкой не пришёл на Сенатскую площадь?

Дилетант
Как я живу с 30% зрения: рассказ девушки, почти ослепшей из-за простуды Как я живу с 30% зрения: рассказ девушки, почти ослепшей из-за простуды

Каково это - жить, когда видишь только половиной левого глаза

Cosmopolitan
Как убрать мешки под глазами: 10 звездных примеров Как убрать мешки под глазами: 10 звездных примеров

Мешки под глазами — проблема, с которой рано или поздно сталкиваются все

Cosmopolitan
Наука диалога Наука диалога

Профсоюзное объединение компании «ЛУКОЙЛ» отметило 25-летие

Огонёк
БУЧ диета: меню на неделю, рецепты и отзывы БУЧ диета: меню на неделю, рецепты и отзывы

Диета БУЧ поможет за месяц избавиться от 5 кг

Cosmopolitan
Как повысить доход и обезопасить себя, работая на фрилансе Как повысить доход и обезопасить себя, работая на фрилансе

Что такое самозанятость и зачем она нужна, если ты сама себе хозяйка

Cosmopolitan
Тайлер Дерден Тайлер Дерден

Правила жизни Тайлера Дердена

Esquire
Гарик Сукачев: «Иногда нас вязали менты, да, гопники отбивали почки» Гарик Сукачев: «Иногда нас вязали менты, да, гопники отбивали почки»

Гарик Сукачев всю жизнь шел против общественного мнения­ и вкусов толпы

GQ
Открыть в приложении