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

Верные слуги короля Верные слуги короля

С XVII века королевские мушкетёры стали привилегированными войсками

Дилетант
Интервью с Нютой Федермессер ― о том, почему психоневрологические интернаты стали современным ГУЛАГом Интервью с Нютой Федермессер ― о том, почему психоневрологические интернаты стали современным ГУЛАГом

Почему система соцзащиты в России превратилась в систему социальной изоляции

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

Финалистки конкурса «Девушка года Playboy-2018»

Playboy
Благое начинание Благое начинание

Как легко принять участие в благотворительности – в материале Grazia

Grazia
6 признаков глупого человека 6 признаков глупого человека

Как понять, кого нужно избегать? Да и нужно ли на самом деле?

Psychologies
Как нас втягивают в токсичные отношения Как нас втягивают в токсичные отношения

У таких отношений есть очень точное определение: нам в них физически плохо

Psychologies
Из помазанников Божьих в святые мученики Из помазанников Божьих в святые мученики

Расстрел царской семьи — едва ли не самый хорошо исследованный сюжет

Дилетант
Ужасы в вашей тарелке: пищевые фобии, которые вредят здоровью Ужасы в вашей тарелке: пищевые фобии, которые вредят здоровью

Пищевые фобии могут сильно навредить нашему здоровью

Psychologies
Брендам здесь не место: почему после введения антисанкций в России перестали появляться новые сильные марки Брендам здесь не место: почему после введения антисанкций в России перестали появляться новые сильные марки

От чего же зависит успех нового бренда?

Forbes
Домашний сад: как правильно ухаживать за комнатными растениями Домашний сад: как правильно ухаживать за комнатными растениями

Зелень в интерьере жилища – это не только красиво, но и полезно

Cosmopolitan
Певица Шура Кузнецова — об отказе от соцсетей и поисках большой любви Певица Шура Кузнецова — об отказе от соцсетей и поисках большой любви

Шура Кузнецова известна по шоу «Голос» и концертам со струнным оркестром

РБК
Со знаком плюс Со знаком плюс

Самая известная plus-size-модель Эшли Грэм скоро впервые станет мамой

Grazia
Клео де Мерод — легендарная модель XIX века (12 фото) Клео де Мерод — легендарная модель XIX века (12 фото)

Ее красота стала символом Прекрасной эпохи

Maxim
«Осторожно, шум!»: как уберечь слух и психику «Осторожно, шум!»: как уберечь слух и психику

Постоянный шум — проблема тех же масштабов, что и загрязнение воздуха

Psychologies
В поисках Гипербореи В поисках Гипербореи

Загадочных гиперборейцев древние греки считали существующими в реальности

Дилетант
Арабские сказки: способен ли Эр-Рияд залить мир дешевой нефтью? Арабские сказки: способен ли Эр-Рияд залить мир дешевой нефтью?

Принц Абдулазиз бин Салман призвал рынок «доверять и верить»

Forbes
16 правил стройности 16 правил стройности

Полезные привычки полезны не только для фигуры, но и для психического здоровья

Psychologies
Топ-9 картин с рейтингом 99% на Rotten Tomatoes (они почти идеальны) Топ-9 картин с рейтингом 99% на Rotten Tomatoes (они почти идеальны)

Эти фильмы, согласно критикам, практически безупречны

Playboy
Обри ди Грей: «Медицина может предложить совершенно другое качество жизни» Обри ди Грей: «Медицина может предложить совершенно другое качество жизни»

Почему богатые не смогут жить дольше бедных, а диктаторы — править вечно

РБК
Лорнет Александра Первого Лорнет Александра Первого

Благословенный император был не только глуховат, но и близорук

Дилетант
Мод Жульен: «Мать просто швырнула меня в воду» Мод Жульен: «Мать просто швырнула меня в воду»

Мод Жульен поделилась своей страшной историей в книге «Рассказ дочери»

Psychologies
Бойся, я с тобой: три жуткие истории о насилии со стороны самых близких Бойся, я с тобой: три жуткие истории о насилии со стороны самых близких

Эти истории не случились бы, существуй закон о домашнем насилии

Cosmopolitan
Воспитать Хабиба. Отец легендарного боксера о том, как вырастить чемпиона Воспитать Хабиба. Отец легендарного боксера о том, как вырастить чемпиона

За великими чемпионами всегда стоят те, кто их воспитал

Forbes
В самом соку В самом соку

Что нужно знать о соках, чтобы «выжать» из них максимум эффекта?

Лиза
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
O чем говорят в Нью-Йорке: самый глобальный модный тренд – «осознанная мода» O чем говорят в Нью-Йорке: самый глобальный модный тренд – «осознанная мода»

Человечество уверенно входит в новое десятилетие с новой модой, «осознанной»

Cosmopolitan
Чистый как слеза: как добыча бриллиантов влияет на окружающую среду и что компании делают, чтобы улучшить ситуацию Чистый как слеза: как добыча бриллиантов влияет на окружающую среду и что компании делают, чтобы улучшить ситуацию

Как добыча бриллиантов влияет на природу

Esquire
Эклектичная квартира для девушки, 45 м² Эклектичная квартира для девушки, 45 м²

Квартира с глубокими, насыщенными цветами, которая никого не оставит равнодушным

AD
Как живут там, где почти никто не живет: темная сторона биосферы Как живут там, где почти никто не живет: темная сторона биосферы

Жизнь существует даже в горячих и лишенных кислорода недрах Земли

Популярная механика
Заразиться, чтобы выжить: как работают вакцины Заразиться, чтобы выжить: как работают вакцины

Сезон гриппа – самое подходящее время поговорить о вакцинах

Популярная механика
Открыть в приложении